基于EPS 2008及地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面線提取

朱清海，黃承亮，李凱

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

基于EPS 2008及地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面線提取

朱清海?，黃承亮，李凱

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

基于EPS 2008軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面數(shù)據(jù)提取，提出了基于三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行快速斷面測(cè)量的作業(yè)流程、方法，并通過工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，其驗(yàn)證結(jié)果表明采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行斷面測(cè)量提高了工作效率，同時(shí)也很好地彌補(bǔ)了常規(guī)斷面測(cè)量點(diǎn)位密度不足的問題，保證了斷面測(cè)量精度，其方法可實(shí)施性強(qiáng)。

三維地面激光掃描；點(diǎn)云；數(shù)據(jù)處理；斷面數(shù)據(jù)；EPS 2008

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)可以分為星載、機(jī)載和地面激光掃描技術(shù)三種，本文主要基于地面三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。地面三維激光掃描技術(shù)主要是利用激光測(cè)距原理來獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含三維坐標(biāo)、顏色、反射率等信息。地面三維激光掃描儀的發(fā)展和應(yīng)用，為人們獲取豐富的局部地面空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段，它是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可進(jìn)行大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集，具有測(cè)量點(diǎn)位精度高、采集空間點(diǎn)的密度大、速度快等特點(diǎn)，且融合了激光反射強(qiáng)度和物體色彩等信息。地面三維激光掃描儀使測(cè)繪從傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集變?yōu)楦呙芏?、連續(xù)、自動(dòng)獲取，大大地增加了信息量，提高了工作效率，拓寬了測(cè)繪技術(shù)的領(lǐng)域。可以說地面三維激光影像掃描技術(shù)是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)革新[1]，使測(cè)繪數(shù)據(jù)的研究?jī)?nèi)容、研究方法進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

斷面測(cè)量是各種工程測(cè)量的一個(gè)重要組成部分，無(wú)論是鐵路、公路，還是橋梁、隧道的建設(shè)，都需要進(jìn)行斷面測(cè)量。目前應(yīng)用較多的是全站儀斷面測(cè)量和GPS RTK斷面測(cè)量，它們都是單點(diǎn)接觸測(cè)量，速度相對(duì)較慢，對(duì)于一些高精度、高密度、危險(xiǎn)地段的斷面測(cè)量顯得無(wú)能為力。本文以Riegl VZ-1000三維激光掃描儀應(yīng)用于公路斷面測(cè)量為例，論述點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)處理以及基于EPS 2008軟件平臺(tái)二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行斷面數(shù)據(jù)提取進(jìn)行研究。

2 數(shù)據(jù)采集方案

2.1 控制點(diǎn)的布設(shè)

隨機(jī)點(diǎn)云處理軟件在點(diǎn)云拼接時(shí)基本上都具有根據(jù)掃描站對(duì)象的公共面片進(jìn)行拼接、根據(jù)已知測(cè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行拼接以及根據(jù)掃描公共特征點(diǎn)進(jìn)行拼接等功能。在控制測(cè)量時(shí)我們必須根據(jù)斷面測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量區(qū)域地形特征選擇合適的控制布點(diǎn)方案。具體方案大致分為以下三種情況:

(1)在測(cè)量區(qū)域特征地物較多，拼接可以以特征地物進(jìn)行拼接時(shí)，控制點(diǎn)主要以控制區(qū)域整體精度為前提，對(duì)于帶狀區(qū)域一般應(yīng)布設(shè)在帶狀區(qū)域兩端和中間，帶狀區(qū)域過長(zhǎng)時(shí)中間適當(dāng)加密。

(2)在測(cè)量區(qū)域特征地物較少，拼接只能以公共面片進(jìn)行拼接時(shí)，帶狀區(qū)域控制點(diǎn)一般呈導(dǎo)線形式布設(shè)，方形區(qū)域控制點(diǎn)應(yīng)呈中心輻射狀布設(shè)。

(3)如掃描儀提供同軸RTK連接裝置，也可以同步測(cè)量各測(cè)站點(diǎn)的控制坐標(biāo)。

2.2 掃描分辨率的確定

掃描分辨率直接影響掃描數(shù)據(jù)的密度，同時(shí)影響掃描的時(shí)間和提取對(duì)象的精度，所以掃描分辨率設(shè)置時(shí)必須綜合考慮以上因素。若進(jìn)行精細(xì)模型的提取時(shí)，設(shè)置的分辨率必須能識(shí)別模型的最小曲率變化；若進(jìn)行一般工程測(cè)量時(shí)則應(yīng)以能控制地貌、地物特征變化為原則。通常情況下，我們采用距離控制，設(shè)定已知距離的采樣間距，設(shè)置時(shí)需考慮目標(biāo)測(cè)量區(qū)域至測(cè)站的最大距離和要求間距，在進(jìn)行一般斷面測(cè)量時(shí)，其掃描采樣間距一般設(shè)置100 m處為5 cm。

2.3 作業(yè)流程

以基于三維激光掃描儀隨機(jī)處理軟件及EPS 2008平臺(tái)進(jìn)行斷面測(cè)量、數(shù)據(jù)處理為例，進(jìn)行流程分析，其作業(yè)按照以下流程進(jìn)行:

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理流程

3 軟件功能開發(fā)

以隨機(jī)軟件進(jìn)行拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、影像配準(zhǔn)、去噪后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在EPS 2008軟件平臺(tái)中進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、代碼編寫實(shí)現(xiàn)斷面數(shù)據(jù)的提取、編輯與輸出。

3.1 需求分析與設(shè)計(jì)

在EPS 2008平臺(tái)具備點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、獲取的基礎(chǔ)上，斷面數(shù)據(jù)提取軟件還應(yīng)該具備根據(jù)線路中線、斷面長(zhǎng)度或者指定里程、斷面長(zhǎng)度進(jìn)行特定斷面線位置計(jì)算功能，提取指定位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)功能，指定范圍點(diǎn)云TIN建立功能，根據(jù)建立的TIN進(jìn)行斷面線位置數(shù)據(jù)提取功能以及斷面數(shù)據(jù)輸出功能。

根據(jù)以上需求設(shè)計(jì)軟件功能界面如圖2所示。

圖2 斷面數(shù)據(jù)提取功能界面

3.2 功能介紹及核心代碼

在EPS 2008平臺(tái)命令行輸入模塊名稱，啟動(dòng)模塊功能，選擇線路中心線，右鍵單擊進(jìn)行指定里程或指定中樁間距及斷面寬度的斷面線位置計(jì)算，同時(shí)生成帶里程的中線，其核心代碼如下:

CGeObjList GeoList；//定義對(duì)象

GeoList.Copy(m_pSelection-＞GetGeoList())；//獲取選擇集對(duì)象

CGeoBase?pGeo=GeoList[i]；

pGeo-＞GetPointList(POINT3DLIST pList)；//獲取地物點(diǎn)列

GotoPoints(pList，m_nLineType，POINT3DLIST temp-Points)；//復(fù)合線型折線化

在獲得線路中線折線化后的點(diǎn)列后即可根據(jù)點(diǎn)間距離計(jì)算特定里程位置以及斷面線位置，然后根據(jù)斷面線位置獲取左右一定范圍內(nèi)的點(diǎn)云，建立TIN并提取斷面線的高程。

SearchCloudPoints(rect，POINT3DLIST triPoints)；//獲得矩形范圍內(nèi)的點(diǎn)云

CreateTriNet(TriangleList，triPoints，2，1000，NULL，NULL，1，NULL，NULL)；//建立TIN

int iTri=pTriNet-＞PtInNetTri(x，y)；//返回三角形的索引

if(iTri＞-1)

{

if(pTriNet-＞PtInTriangle(x，y，iTri))//點(diǎn)在三角形內(nèi)

{

double dbSP_H=pTriNet-＞GetHeight(x，y，iTri)；//用三角形平面內(nèi)插出x，y處的高程

}

}

根據(jù)提取的斷面線高程進(jìn)行檢查和編輯，對(duì)錯(cuò)誤的位置進(jìn)行編輯處理，選擇提取的斷面線，在子窗口中生成斷面線的斷面圖，結(jié)合斷面圖進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯(直接使用快捷鍵，如:W抹點(diǎn)，E加點(diǎn)等)。

CreateNewSubViewDlg(m_pMap，rectSpace，m_pMap-＞Get-DataHandle()，strName)；//創(chuàng)建子窗口

CMapCtrl?pSubView=GetMapCtrlOfSubViewDlg(_T("子窗口控制"))；//獲取子窗口

CGLDC?pSubGLDC=pSubView-＞GetGLDC()；

CDC?pSubDC=pSubGLDC-＞GetCDC()；

pSubGLDC-＞PasteBackGround Image()；

pSubGLDC-＞DrawMark(pSubDC，m_spCurrent，RGB(0，255，0)，5，50，5)；//在子窗口中畫標(biāo)記

//畫線對(duì)象

UINT code=atoi("1")；

m_pFea=m_pMap-＞GetFeature(code)；

CGeoBase?m_pGeoDraw2；

m_pGeoDraw2-＞SetPointList(ps)；

m_pGeoDraw2-＞SetID(m_pMap-＞GetGeoID())；

m_pMap-＞AddObject(m_pGeoDraw2)；

最后選擇帶里程的中線，搜索編輯后的斷面線輸出斷面數(shù)據(jù)，斷面數(shù)據(jù)格式按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，每3行為1個(gè)斷面體，第1行為里程、中樁高程，第2行為相對(duì)中樁點(diǎn)左側(cè)的距離、高程，第3行為相對(duì)中樁點(diǎn)右側(cè)的距離、高程。

4 工程實(shí)例

在重慶某立交道路定測(cè)工程中，作者采用RieglVZ-1000三維激光掃描儀進(jìn)行道路中線全長(zhǎng)約10 km的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)采用隨機(jī)軟件RiSCAN PRO 1.64進(jìn)行點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、植被剔除后輸出中間數(shù)據(jù)格式，然后采用以上開發(fā)的模塊進(jìn)行道路斷面的提取、編輯、輸出，共提取斷面數(shù)據(jù)1 100條，斷面全長(zhǎng)約66 km，一個(gè)作業(yè)小組內(nèi)外業(yè)分別用時(shí)1 d。由此可見，該項(xiàng)技術(shù)的采用大大提高了工作效率，同時(shí)也很好彌補(bǔ)了常規(guī)斷面測(cè)量點(diǎn)位密度不足的問題，另外還減少了大部分的地形測(cè)量時(shí)間。大部分地形要素均可以從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取，為三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于工程測(cè)量奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 斷面數(shù)據(jù)提取與編輯

圖3 斷面數(shù)據(jù)提取前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

5 結(jié) 語(yǔ)

地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速地獲取高密度、高精度的目標(biāo)空間信息，在三維表面重建和測(cè)量方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行更多的開發(fā)利用，對(duì)大面積工程測(cè)量、小區(qū)域特殊測(cè)量、危險(xiǎn)區(qū)域測(cè)量等方面將會(huì)有出色的表現(xiàn)，但地面三維激光掃描技術(shù)也有其缺點(diǎn)，對(duì)于地面植被密集區(qū)域數(shù)據(jù)后期處理還有待研究。

圖5 斷面數(shù)據(jù)輸出成果

[1] 劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2006，15(1)：48～49.

[2] 閆利，崔晨風(fēng)，張毅.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高精度斷面線生成的研究[J].遙感信息，2007(4)：54～56.

[3] 北京清華山維新技術(shù)開發(fā)有限公司.EPS2008地理信息工作站使用說明書[R].2010(8).

[4] 馬立廣.地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[5] 董秀軍.三維激光掃描技術(shù)獲取高精度DTM的應(yīng)用研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15(3)：428～432.

[6] 尹婷.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

Extraction of Section Line Based on EPS2008，Terrestrial 3D Laser Scanning Point Cloud Data

Zhu Qinghai，Huang Chengliang，Li Kai
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

This article is based the EPS 2008 software platform for secondary development，realization of the 3D laser scanning point cloud data section data extraction and proposed the Rapid cross-section measurements processes，methods based on 3D laser scanning technology.It’s a good guide for similar projects operating.And by an engineering example verified，the results shown that itused 3D laser scanning technology to section survey improving work efficiency，and making up for the conventional section survey point density deficiency，ensuring section survey accuracy，themethods implement the gender is strong.

3D laser scanning；Point cloud；Data processing；Section data；EPS 2008

1672-8262(2013)02-89-03

P234.4

A

2012—07—29

朱清海(1982—)，男，工程師，主要從事工程測(cè)量，三維激光掃描方面的研究。