點云數(shù)據(jù)多站拼接在水利工程測繪中的應(yīng)用

張永光，劉豪杰，尹小磊，劉朋俊

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州450003)

目前，傳統(tǒng)測繪方法在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中已經(jīng)很難再有突破，若要獲得更高的測繪效率則需依靠新技術(shù)的研究和新儀器的研發(fā).同時傳統(tǒng)的測量手段也不能滿足地理環(huán)境復(fù)雜測區(qū)的測繪工作，比如低溫、高海拔地區(qū)，植被茂密、坡度很大的山區(qū)，以及一些礦山和隧道的測量等.地面激光掃描儀以其高效、非接觸式、便攜、掃描精度高等優(yōu)勢，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測繪工作的不足.

然而，由于研究對象復(fù)雜多樣，無法通過一次設(shè)站獲取其完整的點云數(shù)據(jù)，必須在研究對象的不同方位設(shè)站，采用多測站、多視角的掃描方式，對研究對象的不同部位分別掃描，取得該對象各個方位的分塊點云數(shù)據(jù)，再通過分塊數(shù)據(jù)拼接處理，才能獲取研究對象完整的表面點云［1］.選擇何種外業(yè)掃描方案和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)拼接方式是提高掃描效率和掃描精度的關(guān)鍵所在.常用的點云數(shù)據(jù)拼接方法均存在不同程度的誤差，最近點迭代算法(Iterative Closest Point algorithm，ICP算法)可實現(xiàn)多站自動拼接，提高數(shù)據(jù)拼接的精度.目前，ICP算法廣泛應(yīng)用于建筑物掃描、磨具檢測、考古、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域.而水利工程的測繪現(xiàn)場一般范圍大、距離遠(yuǎn)、地表影響因素多，與室內(nèi)掃描數(shù)據(jù)的處理有諸多不同，筆者提出將這種點云數(shù)據(jù)多站自動拼接方法應(yīng)用于水利工程測繪中，并通過實例驗證其有效性和可行性.

1 點云數(shù)據(jù)拼接

1.1 拼接原理

點云的拼接是將不同掃描位置的點云數(shù)據(jù)拼接到同一個坐標(biāo)系中.假設(shè)掃描工程中有Sp1～SpN共N個掃描站點，每個站點掃描得到的點云都在各自掃描儀的自身坐標(biāo)系(SOCS)下，點云的拼接就是將這N個掃描儀坐標(biāo)系坐標(biāo)配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系中，這個坐標(biāo)系即項目坐標(biāo)系(PRCS)，如圖1所示.

圖1 GLCS，PRCS和SOCS 3種坐標(biāo)系

各站點點云的坐標(biāo)系通過SOP矩陣配準(zhǔn)到項目坐標(biāo)系中，如果場景規(guī)模超出項目坐標(biāo)系的表示范圍，則要用到全球坐標(biāo)系(GLCS)，項目坐標(biāo)系到全球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換通過POP矩陣配準(zhǔn)實現(xiàn).掃描儀坐標(biāo)系下的點PSp到全球坐標(biāo)系下的點PGL的轉(zhuǎn)換過程，如圖2所示.

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

1.2 常用點云拼接方法

多個掃描測站的拼接過程就是確定各自的SOP矩陣，通常該過程需要一定的連接點實現(xiàn).這些連接點由掃描數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的反射目標(biāo)所定義，同時通過全站儀或GPS RTK精確測出它們的位置［2］.常用的拼接方法包括粗拼接、公共反射標(biāo)靶拼接、極坐標(biāo)拼接等.

1.2.1 粗拼接

在掃描地物有明顯的特征點或者標(biāo)識物，同時對掃描地物不需要大地坐標(biāo)的測區(qū)，可采用這種拼接方式.其優(yōu)點是不需要布設(shè)反射標(biāo)靶，設(shè)站靈活.

其作業(yè)方法是:根據(jù)測區(qū)范圍大小，實地確定測站點和測站數(shù)，應(yīng)盡量滿足視線開闊，站點布置要有層次錯落，使掃描出現(xiàn)盡量少的陰影.野外掃描完成后，對兩兩相鄰的測站進(jìn)行同名點的標(biāo)定，至少要找出4對同名點，類似公共反射標(biāo)靶的作用，使兩次掃描的坐標(biāo)統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系下.

當(dāng)掃描數(shù)據(jù)量不大時，手動找出同名點比較方便，但不同測站掃描同一物體的角度不相同，所以同名點的位置可能會有誤差，這也是最大的誤差來源.當(dāng)掃描數(shù)據(jù)量過大時，這種拼接方式將變得無效，因為海量的點云數(shù)據(jù)加載后，電腦運(yùn)行速度變得緩慢，數(shù)據(jù)處理無法進(jìn)行.

1.2.2 公共反射標(biāo)靶拼接

公共反射標(biāo)靶拼接是利用在不同掃描站布設(shè)一定數(shù)量的公共反射標(biāo)靶來完成坐標(biāo)系統(tǒng)一的拼接方式［3］.掃描前將反射標(biāo)靶安置到掃描對象周圍合適的地方，在掃描過程中反射標(biāo)靶固定不動，最終利用相同反射標(biāo)靶在不同的掃描點云中的位置進(jìn)行拼接.一般掃描站較少時，可采用此種方式進(jìn)行拼接.其優(yōu)點是測站位置靈活，缺點是反射標(biāo)靶布設(shè)較多，在需要大地坐標(biāo)時，工作量較大.

其作業(yè)方法是:在實地詳細(xì)踏勘后，選擇最佳的掃描站點，然后在掃描范圍內(nèi)布設(shè)均勻且高低錯落的反射標(biāo)靶，需要相鄰兩個掃描站能共用不少于3個，最好5～8個，以此來完成兩次掃描數(shù)據(jù)的統(tǒng)一.這種拼接方式對測區(qū)的地理環(huán)境要求嚴(yán)格，要有合適的位置來布設(shè)反射標(biāo)靶，反射面和激光光束的夾角不能太小，同時反射標(biāo)靶要方便常規(guī)儀器測量.

1.2.3 極坐標(biāo)拼接

在一些地理環(huán)境比較惡劣的測區(qū)(茂密山地、深溝或陡崖等)，無法布設(shè)一定數(shù)量的反射標(biāo)靶，可采用極坐標(biāo)的方式進(jìn)行拼接.

其作業(yè)方法是:根據(jù)測區(qū)踏勘情況布設(shè)掃描站，應(yīng)盡量少出現(xiàn)掃描陰影，每次掃描都需要標(biāo)記掃描站點的位置，在離掃描站一定距離(以能識別反射標(biāo)靶為準(zhǔn)，距離越遠(yuǎn)，掃描點位絕對精度越好)且在能被掃描到的位置上布設(shè)一個后視點同時做標(biāo)記，并在這個位置上設(shè)置一個反射標(biāo)靶［4］;掃描后，用全站儀或者GPS RTK測定標(biāo)記的掃描點和后視點的大地坐標(biāo).這種拼接方式適應(yīng)性較強(qiáng)，但人為干預(yù)太多，引入了過多的誤差，如后視點測量誤差、掃描站測量誤差等.

2 多站自動拼接方法

前述的3種點云拼接方式，不同程度地存在誤差，如:同名點人為誤差、全站儀(或者GPS RTK)測量誤差、反射體自身誤差等.這些誤差不可避免，為了提高掃描點位的精度，必須采用減少人的干預(yù)、程序化控制并兼顧穩(wěn)定性的拼接方式，而多站自動拼接正是這樣一種自動化的拼接方式，通常使用最近點迭代算法(ICP算法)提高精度.

ICP算法是一種通用的、與表示方式無關(guān)的解決3D點集配準(zhǔn)問題的方法.ICP算法實質(zhì)上是基于最小二乘法的最優(yōu)匹配方法，重復(fù)進(jìn)行“確定對應(yīng)點集—計算最優(yōu)剛體變換”的過程，直到某個表示正確配準(zhǔn)的收斂準(zhǔn)則得到滿足.到目前為止，ICP算法是三維模型配準(zhǔn)的主流算法，近年來國內(nèi)外相關(guān)研究人員對ICP改進(jìn)算法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.雖然ICP算法計算簡便、直觀且使拼接有較好的精度，但是用于點云拼接的兩幅點云必須在三維空間中正交的3個方向上均有足夠的重疊分量才能穩(wěn)定、可靠地解算出拼接參數(shù)［5］.

3 實例驗證

某調(diào)水工程大壩壩址邊坡，需測繪1∶500地形圖，要求等高距為1.0 m，高程注記點的中誤差為0.33 m.采用Riegl VZ 1000地面三維激光掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場實地掃描，在邊坡對面的山上布設(shè)4個掃描站，每站之間的間隔為130～170 m，各站的角分辨率為0.03°～0.05°，均采用1 400 m(70 kHz)的掃描模式.

3.1 掃描方案

由于測區(qū)掃描站架設(shè)困難，且距離掃描對象較遠(yuǎn)，很難布設(shè)公共反射標(biāo)靶，所以采用極坐標(biāo)的方式進(jìn)行掃描.掃描設(shè)站在4個點位各進(jìn)行一次精細(xì)掃描，以獲取足夠多點云來反映對面山體的地貌信息.掃描完畢，輸入以GPS RTK方式獲取的每個點位的掃描站坐標(biāo)和后視坐標(biāo)，使所有4站統(tǒng)一到大地坐標(biāo)系下.然而，由于GPS RTK誤差、架設(shè)儀器誤差、反射片誤差等，以極坐標(biāo)方式拼接的點云從中剪切一個縱剖面，能直觀地看出不同掃描站之間有縫隙，各站之間的掃描數(shù)據(jù)不能完好地拼接到一起，而采用ICP算法自動拼接后，數(shù)據(jù)質(zhì)量有了很大提高.

經(jīng)過上述點云拼接，獲取的只是帶有大地坐標(biāo)的原始點云數(shù)據(jù).獲取山體地面的高程值還要進(jìn)行植被噪點去除.常規(guī)方法是在固定大小的面板范圍篩選最低值以獲取地面點云，然后根據(jù)地面的趨勢面手動刪除多余的點云，至此獲取了地面的點云數(shù)據(jù).為了方便海量點云數(shù)據(jù)能在常規(guī)繪圖軟件中自由顯示，必須對點云進(jìn)行抽稀，獲取指定間距的地表點云數(shù)據(jù)，并通過生成的DEM獲取該山體的等高線.同時，還用常規(guī)測繪方法(GPS RTK)獲取該測區(qū)地面的高程點(間距5～10 m)，用來檢測最終的掃描成果精度.

3.2 結(jié)果及分析

為了比較掃描數(shù)據(jù)繪制的等高線是否滿足成圖要求，把實測的高程點利用CASS 7.1軟件加載到點云生成等高線的DWG格式的文件中，通過等高線內(nèi)插出這些點的點云高程值，比較實測高程值和內(nèi)插高程值之間的差值，并統(tǒng)計點云的高程精度.

在山體上選取上部植被覆蓋茂密和下部巖石裸露等各個區(qū)域的52個點，其高程統(tǒng)計結(jié)果見表1.

表1 點云數(shù)據(jù)高程精度統(tǒng)計表 m

由表1可知，計算得到52個點的高程中誤差為0.32 m，而該工程要求的高程注記點中誤差為0.33 m，該結(jié)果滿足成圖要求;地面激光掃描儀獲取的高程值一般比實測高程值大，個別高程點的差值甚至大于2倍中誤差，說明去除植被噪點的操作直接影響最終的高程值.

通過此次測試，數(shù)據(jù)采集和處理過程中應(yīng)注意以下幾個方面:①5 cm反射標(biāo)靶能被識別的距離有限，適當(dāng)增大反射標(biāo)靶的大小，可以增加后視距離，進(jìn)而提高掃描點位絕對精度;②在地表裸露遮擋較少的測區(qū)，掃描儀的精度較高，能直觀反映地形特征;③可根據(jù)成圖比例尺大小來選擇掃描儀的掃描模式，掃描的角分辨率需按要求設(shè)置，如果該值設(shè)置過小，數(shù)據(jù)量就會太大，不利于數(shù)據(jù)后處理;④點云處理過程中，去除植被噪點占用較多時間，而且自動去除植被噪點的算法還不完善，直接影響最終成圖的精度.

4 結(jié)語

1)地面激光掃描儀點云數(shù)據(jù)多站自動拼接方法可用于水利工程大比例尺地形圖的測繪中，能夠滿足1.0 m等高距高程精度的要求，且與傳統(tǒng)全野外數(shù)據(jù)采集方法相比，速度快、效率高、地形圖的整體精度高.

2)ICP算法是一種經(jīng)過檢驗、穩(wěn)定可靠、精度高的拼接算法，能在很大程度上降低內(nèi)業(yè)工作量.

3)去除植被噪點操作目前無法自動實現(xiàn)，只能依靠作業(yè)員的經(jīng)驗，根據(jù)不同測區(qū)設(shè)置不同參數(shù).

4)為了進(jìn)一步獲取大比例尺地形圖地物點的平面位置信息，需要在特征地物輪廓提取算法和點云分類算法上進(jìn)一步研究.

［1］盛業(yè)華，張卡，張凱，等.地面三維激光掃描點云的多站數(shù)據(jù)無縫拼接［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，39(2):233－237.

［2］ RIEGL PRO.Software Description ＆ User's Instructions(Version1.6.1)［M］.Austria:RIEGL，2011.

［3］高珊珊.基于三維激光掃描儀的點云配準(zhǔn)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

［4］齊建偉，紀(jì)勇.地面3D激光掃描儀反射標(biāo)靶中心求取方法研究［J］.測繪信息與工程，2011，36(1):37 －39.

［5］解則曉，徐尚.三維點云數(shù)據(jù)拼接中ICP及改進(jìn)算法綜述［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報，2010，40(1):99 －103.

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