浙江有色测绘院有限公司 浙江省绍兴市 312000
摘要：进入新时代以来，我国的科学技术水平迅速进步。本文首先对三维激光技术的概念、发展及空地一体扫描技术的研究背景进行了分析，然后对空地一体扫描技术进行定义并对空地一体扫描技术的特点进行了总结，最后对其应用进行了研究。经过实地操作，基于无人机的空地一体三维扫描技术可以有效克服传统扫描方式弊端，实现高精度立体监测网络（空中-地面-地下监测），完成多载荷数据获取平台：机载-车载-室内、机载-车载-室内知识产权系列产品等。
关键词：空地一体扫描技术；地形测绘；应用；三维激光；高精度
引言
随着社会科学技术水平的不断提高，为提升人们的生活水平，一些大型的建筑如商超、医院和机场等建筑拔地而起。这些建筑由于高度较高、占地面积较大，对周围环境进行导航定位的难度越来越高，对导航技术的需求也与日俱增。传统基于GPS技术的无人机自动定位方法，由于卫星采集图像范围较大，无法实现对目标区域运动目标的准确提取，无人机自动导航结果容易出现导航过程耗时较长和导航结果精度差的弊端。为解决该问题，提出基于三维激光扫描的无人机自动导航方法，缩短无人机自动导航用时，提升无人机自动导航精度。
1空地一体扫描技术简介
三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，无需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据，如此则可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。测量技术的快速发展，各种先进的测量装备及仪器也随之投入到信息化测绘作业中，信息化测绘作业也越来越向空地一体化发展。空地一体扫描技术可以定义为：采用机载激光辅以地面三维激光等多种扫描技术，快速采集物体表面真实可靠的三维数据的技术。
2常用的三维建模方法
按照数据来源分类，常用的三维建模方法有基于基础测绘数据的三维建模方法、基于遥感影像的三维建模方法、基于三维激光扫描数据的三维建模方法、基于过程式的三维建模方法等。
2.1基于基础测绘数据的三维建模方法。该方法首先利用DLG的二维矢量数据获得建筑物轮廓，通过人机交互制成高精度复杂模型；该方法建模的精度较高，但是数据获取成本高，周期长，不适合对大面积的城市建筑群建模。
2.2基于遥感影像的三维建模方法。该方法首先利用相关算法从影像中提取基础数据或者直接生成三维模型。目前最常用的是基于倾斜摄影测量的三维建模方法，是基于倾斜和垂直航拍的影像，经过相机标定、空中三角测量、构建TIN模型以及纹理贴图等过程，全自动完成三维模型的建立。倾斜摄影三维建模精度较高且形象逼真，能够实现大范围的自动化三维建模，但是得到的模型要进行地物分离和单体化则需要较多的人工交互才能完成。
2.3基于三维激光扫描的三维建模方法。利用三维激光扫描仪获取高精度点云数据，经过数据去噪、空间配准、表面重建以及纹理映射等点云数据处理，最终实现建筑物的三维重建基于三维激光扫描的三维建模方法精度较高，但是设备较为昂贵，操作复杂，点云数据的处理也较繁琐，工作量大，大范围的点云数据的后期处理也有较大难度，所以难以推广到对于大规模的三维重建领域。
3基于三维激光扫描技术的应用
3.1无人机飞行控制系统
无人机飞行控制系统由无人机、自主飞行控制系统、数据通信模块（Wi-Fi/数传电台）及地面站组成。无人机及自主飞行控制系统关系着无人机飞行的安全性及飞行效果；数据通信模块是连接无人机与地面站的通道；地面站系统运行在具有处理和运算功能的基站上，实现对无人机的实时监视及导航控制。无人机飞行控制系统主要采用ARM模块作为机载主控制器，同时带有Wi-Fi无线传输功能，以四旋翼无人机本体为载体实现三维激光扫描数据，通过主控制器与地面站进行通信传输。地面站系统包括通信模块、数据库模块、电子地图定位模块、航迹规划模块及仪表显示模块等。通信模块实现三维激光扫描数据的接收和上传；数据库模块用于无人机飞行信息存储和无人机航迹规划；电子地图定位模块在接收三维激光扫描数据后，能够计算出无人机的飞行位置信息（经度、纬度和高度），并在电子地图上显示；航迹规划模块是在无人机接受飞行任务后，将预先设置的飞行航迹点按照先后顺序组成1条航线；仪表显示模块用于直观呈现无人机的飞行状态。
3.2倾斜影像的获取
利用具有固定角度的倾斜相机拍摄获取倾斜影像。本研究采用目前国内较成熟的Microdronesmd4旋翼无人机平台搭载DM5-3600航摄仪获取数据，航摄仪由5台索尼7R相机组成，倾斜相机与下视夹角为38°。根据三维建模的需要，本项目下视影像设置GSD为0.1m，平均航高200m，航向、旁向重叠度均为80%。根据无人机的续航时间，共计设计18个架次，54条航线。经过数据检查、数据预处理、补摄等流程，得到倾斜摄影影像数据。
3.3点云数据的抽稀
激光雷达以每秒70万点的速度进行扫描，在一个架次的时间内会产生巨大点云数据，而且在点云数据拼接后，整个区域内的数据量更大，若利用这些点云数据直接建模，一方面，大量数据的存储和处理将消耗计算机资源，使处理速度变慢，浪费时间；另一方面，并不是所有的数据点在三维建模时都能用得上，因此，有必要在保证一定精度的前提下对点云数据进行抽稀。在MicroStationv8i软件中对点云数据可以进行等量缩的方法来精简数据，即选择合适数量的点云数据进行输入和输出。
结语
基于空地一体扫描技术的车载三维数据采集系统在高楼大厦林立的城市中运行，GPS信号时有时无。又由于交通状况的影响，车载平台时走时停，这些都使得车载系统的工作环境十分独特，同时也会存在容易失锁的地方：如立交桥、过街天桥、高楼底下、两边是树的林荫道，一般失锁时间为30s，因此本文关心组合导航系统的精度主要是关心在失锁30s或1min之后可以达到的精度。总体而言，空地一体扫描技术是现阶段较为新颖的技术，相对于传统全站仪、RTK技术而言，具有非接触式、效率高、速度快等优势，相对于无人机航测技术而言说具有全天候作业、高程精度高、可穿透植被缝隙直接获取真实地面高程的优势，因此在高精度地面高程测绘、地籍测绘、电力巡线、应急监测、森林植被采集及滩涂等人工无法到达的作业环境等领域有其巨大的优势，本文关于空地一体扫描技术及其应用进行分析和探讨，以及对于我国三维激光技术的推广，起到一定的促进作用。
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