利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖

高紹偉，薄志毅，王曉龍

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042； 2. 北京建筑大學(xué)，北京 100044)

一、前 言

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項測繪技術(shù)，又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，它能夠完整并高精度地重建掃描實物的空間三維形態(tài)，對掃描物體表面無需進(jìn)行任何處理，真正實現(xiàn)無接觸測量，國內(nèi)外的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛[1-2]。

大比例尺地形測量從起初的圖解法平板測圖發(fā)展到解析法數(shù)字化測圖等方法。隨著三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為快速建立被測物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段[3]。

然而在掃描過程中，當(dāng)有障礙物存在時，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為障礙物上的信息，而被障礙物遮擋部分的數(shù)據(jù)無法獲取，進(jìn)而無法獲取地形地物有用的信息。另外，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對地形測量應(yīng)用的研究，因點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，文獻(xiàn)[4] 所提出的數(shù)據(jù)粗差剔除算法，本文認(rèn)為其計算工作量是相當(dāng)?shù)?。截至目前還沒有一套完整成熟的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的地形圖測繪軟件。本文在分析激光三維掃描原理的基礎(chǔ)上，在探討激光三維掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的同時[5-6]，通過實地考查，選擇了一塊具有山地地貌特征和有一定代表性地物的場地進(jìn)行掃描試驗，并結(jié)合徠卡HDS4400自帶的I-site studio、Cyclone、CASS7等軟件繪制地形圖，給出了一些參考建議，試圖為大比例尺數(shù)字化測圖提供一種新的方法。

二、三維激光掃描的原理

地面激光掃描儀主要由激光測距儀、垂直角度傳感器、水平角度傳感器、垂直方向的步進(jìn)電機(jī)、水平方向的步進(jìn)電機(jī)、傾斜補(bǔ)償器及數(shù)據(jù)存儲器等組成。圖1為地面激光掃描儀的掃描原理圖。

地面激光掃描儀的激光測距儀發(fā)射一束強(qiáng)度足夠的激光束到被測的物體上，經(jīng)過被測物體表面反射后，激光測距儀獲得儀器到投射點(diǎn)之間的距離，在記錄距離值的同時，儀器也記錄由角度編碼器獲取的水平角度和垂直角度。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動儀器的上部和激光束轉(zhuǎn)向鏡分別繞垂直軸和水平軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)激光束在地面激光掃描儀的掃描范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到對被測物體不同位置掃描的目的。

在地面激光掃描儀中，測距激光束是繞兩個相互垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的。這兩個旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)構(gòu)成儀器局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)O；當(dāng)測距激光束沿水平軸(又稱為第一旋轉(zhuǎn)軸)旋轉(zhuǎn)時，測距激光束能夠掃描出一個垂直扇面，該旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了地面激光掃描儀局部坐標(biāo)系的Y軸；第二旋轉(zhuǎn)軸在理想情況下與第一旋轉(zhuǎn)軸垂直，構(gòu)成了地面激光掃描儀坐標(biāo)系的Z軸，一般情況下，Z軸處于鉛垂位置(又稱為垂直軸)；依據(jù)右手坐標(biāo)系的構(gòu)建原則，與地面激光掃描儀Y軸及Z軸垂直的為X軸，如圖1所示。在地面激光掃描儀的實測數(shù)據(jù)中，儀器只能測量出坐標(biāo)原點(diǎn)O到被測物體反射面P之間的距離D、垂直角θ、水平角φ及回光信號的強(qiáng)度，將被測量轉(zhuǎn)換成地面激光掃描儀局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即有

(1)

從式(1)可以看出，要測量被測物體的空間坐標(biāo)(x，y，z)，必須首先測量距離D、垂直角θ和水平角φ。由于地面激光掃描儀的距離測量完全依靠被測物體反射回來的測距信號，若僅從測量原理上講，地面激光掃描儀與傳統(tǒng)的免棱鏡全站儀是一樣的[7]。

圖1 地面激光掃描儀的掃描原理

三、利用激光三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖

基于三維激光掃描技術(shù)繪制地形圖的主要作業(yè)流程包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、點(diǎn)云的識別、邊緣信息的檢測、去噪、地物的提取與繪制、非地貌數(shù)據(jù)的剔除、等高線的生成、地物與地貌的疊加編輯等。

1. 數(shù)據(jù)采集

選取的試驗場地北面是帶有一定坡度的山地，在山腳下，有一段未加固的陡坎。南面是橫跨東西的公路，路上有明顯的照明線桿，西北路面有一段加固的陡坎。本文首先根據(jù)地形及掃描的對象，利用GPS RTK技術(shù)實測了兩個GPS控制點(diǎn)。然后，分別在每一個控制點(diǎn)上架設(shè)HDS4400三維激光掃描儀，用數(shù)據(jù)連接線將工業(yè)電腦連接到掃描儀上，對中，整平，并量取儀器高。在HDS4400三維激光掃描儀的工業(yè)電腦操作屏幕上，根據(jù)提示分別輸入測站點(diǎn)名、測站坐標(biāo)、儀器高、后視點(diǎn)點(diǎn)名和坐標(biāo)。利用儀器的照準(zhǔn)功能，通過儀器遙控鍵使望遠(yuǎn)鏡十字絲照準(zhǔn)后視的標(biāo)志。首先進(jìn)行預(yù)掃，然后根據(jù)地形框選，最后選用近距離、高精度的掃描方式進(jìn)行采集。兩站外業(yè)掃描結(jié)束后，利用I-site studio軟件對掃描的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入和導(dǎo)出，導(dǎo)出名為custom.txt的文件。

2. 地貌特征點(diǎn)的提取

將I-site studio導(dǎo)出的custom.txt文件，利用Cyclone軟件分別建立數(shù)據(jù)庫、模型空間和數(shù)據(jù)的預(yù)處理，模型簡化(去噪)后的點(diǎn)云圖如圖2所示。

圖2 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置采樣間距，重新采樣，設(shè)置采樣間隔為0.001 m，創(chuàng)建TIN-Mesh模型，如圖3所示。

圖3 TIN-Mesh模型

從TIN模型圖可以看出，有許多的“尖狀物”，結(jié)合地形分析可知這是由于樹木遮擋所造成的反射引起的。為此，在選擇地貌的高程點(diǎn)時，應(yīng)刪除這部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)。若在點(diǎn)云圖上用手工方法剔除這些非地貌數(shù)據(jù)，工作量比較大，而且很難保證徹底刪除。在隨后TIN模型上生成等高線時，這些未徹底刪除的“尖狀物”非地貌數(shù)據(jù)將參與繪制等高線的過程，從而使地貌失去現(xiàn)勢性，生成的等高線很不規(guī)則且雜亂，后期修剪工作將很繁瑣。本文提出一種在形成的點(diǎn)云圖和TIN模型上，結(jié)合地物和地貌的特點(diǎn)，直接利用軟件按一定的間隔提取高程特征點(diǎn)的坐標(biāo)，繪制陡坎和地物，并對其標(biāo)注，即在點(diǎn)云圖和TIN模型上采用人工采集數(shù)據(jù)的方法。

在TIN模型上，利用平移、縮放和不同角度的旋轉(zhuǎn)等功能，根據(jù)地形選取等高程特征點(diǎn)位置，如圖4所示。而對陡坎的選擇，同樣利用平移、縮放和不同角度的旋轉(zhuǎn)等功能在TIN模型上畫線，并對陡坎第一點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)注，如圖5中的K1、K2等所示。

圖4 TIN 模型上選取的高程點(diǎn)

圖5 TIN模型上選取的陡坎

3. 地物特征點(diǎn)的提取

地物信息包括點(diǎn)狀物、線狀物和面狀物3類。對于點(diǎn)狀物(如路燈等)，利用平移和旋轉(zhuǎn)等功能直接在點(diǎn)云圖上作標(biāo)記。而對于線狀和面狀地物，同樣在點(diǎn)云圖上結(jié)合點(diǎn)云的顏色和反射率，畫線并作標(biāo)記符號。如圖6中L1、L2為路邊，D1、D2等為路燈。

最后將提取的高程點(diǎn)和獨(dú)立地物標(biāo)記點(diǎn)，利用軟件導(dǎo)出為TXT格式文件；對陡坎、線狀和面狀地物畫線的內(nèi)容導(dǎo)出為AutoCAD DXF格式文件。

圖6 選取的路邊和線桿

4. CASS繪制地形圖

CASS地形地藉成圖軟件是基于AutoCAD平臺技術(shù)的數(shù)字化測繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于地形成圖、地藉成圖、工程測量應(yīng)用三大領(lǐng)域。將導(dǎo)出的TXT文件轉(zhuǎn)換成DAT文件，直接展繪。對于獨(dú)立地物，根據(jù)CASS的地物符號依據(jù)展點(diǎn)的位置繪制。將陡坎、線狀和面狀地物畫線的內(nèi)容導(dǎo)出的CAD格式文件，插入到繪制的地形圖中，根據(jù)線性的標(biāo)記識別不同的地物和地貌，并在原有線型的基礎(chǔ)上，利用不同的地物和地貌符號重新描繪，加以擬合。地貌生成等高線主要包括以下幾個流程：展高程點(diǎn)、根據(jù)測圖比例尺及數(shù)據(jù)量輸入相應(yīng)的注記高程點(diǎn)間距、建立DTM、修改三角網(wǎng)并存盤、繪制等高線和修改等高線。最終形成的地形圖如圖7所示。

圖7 結(jié)合CASS利用激光三維掃描數(shù)據(jù)繪制的地形圖

四、地形圖精度檢驗

為了檢查提取的地形、地物點(diǎn)的準(zhǔn)確性，驗證點(diǎn)云圖和TIN 模型的正確性及繪制地形圖的質(zhì)量，對所繪制的地形圖進(jìn)行平面和高程精度的檢查。采用GPT-3002LN全站儀實地采集地形、地物點(diǎn)平面位置與高程。高程檢查點(diǎn)覆蓋整個測區(qū)，其編號為G1—G10，共10個點(diǎn)；地物檢查點(diǎn)編號為D2—D9，共8個點(diǎn)，相鄰地物點(diǎn)的檢查共設(shè)置3處(如圖7所示)。高程點(diǎn)、地物點(diǎn)平面位置、相鄰地物點(diǎn)之間檢查具體統(tǒng)計分別見表1—表3。

《1∶500 1∶1000 1∶2000外業(yè)數(shù)字化測圖技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14912—2005)規(guī)定[8]：對于城鎮(zhèn)、工業(yè)建筑區(qū)、平地、丘陵地測圖，當(dāng)比例尺為1∶500時，基本等高距平地為0.5 m、丘陵和山地為1 m。地形圖上的地物點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和鄰近地物點(diǎn)點(diǎn)間的距離中誤差。點(diǎn)位中誤差不超過±0.25 m；相鄰地物點(diǎn)間距中誤差不超過±0.20 m；等高線的插求點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差，平地不應(yīng)大于基本等高距的1/3、 山地不應(yīng)大于基本等高距的1/2、高山地不應(yīng)大于基本等高距。

表1 高程精度檢查表 m

表2 地物點(diǎn)精度檢查表 m

表3 相鄰地物點(diǎn)精度檢查表 m

按照限差是測量中誤差2倍的原則，從表1—表3的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，其差值均未超出技術(shù)規(guī)程規(guī)定的要求；同時可以得出結(jié)論，利用三維激光掃描數(shù)據(jù)繪制的地形圖完全可以滿足1∶500外業(yè)數(shù)字化測圖的要求。

五、結(jié)束語

結(jié)合本文的試驗對利用激光掃描數(shù)據(jù)繪制數(shù)字地形圖，總結(jié)如下：

1) 針對面積比較大且植被稀少，地形、地物較簡單的區(qū)域進(jìn)行激光三維掃描的數(shù)據(jù)處理，因掃描的數(shù)據(jù)量大，考慮到計算機(jī)的性能，應(yīng)結(jié)合地形、地物的特點(diǎn)分區(qū)、分塊進(jìn)行，這樣有利于快速處理。

2) 在遮擋嚴(yán)重的地區(qū)，激光三維掃描儀無法采集真實的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合全站儀進(jìn)行補(bǔ)充采集。

3) 對于地物自然陡坎的繪制，應(yīng)把點(diǎn)云圖和TIN 模型充分地結(jié)合起來，這樣才能夠準(zhǔn)確地區(qū)分出來。

4) 三維激光掃描技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用還處于初級階段，急需開發(fā)數(shù)據(jù)后處理軟件，以解決遮擋所形成的噪聲數(shù)據(jù)的問題。

總之，地面三維激光掃描技術(shù)可以在較短的時間內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行高精度、高密度的測量，并獲得三維空間信息，該技術(shù)具有掃描速度快、數(shù)據(jù)信息全面、精度高、過程簡單、可以節(jié)約大量的人力與資源、提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)是對數(shù)字化測圖方法的又一次創(chuàng)新，隨著后處理軟件的進(jìn)一步完善，其應(yīng)用前景將會越來越廣闊。

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