三維激光掃描數(shù)據(jù)生成精細(xì)地面模型

王建強(qiáng)， 李 丁， 徐效波

(東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西南昌 330013)

三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域的一次技術(shù)革命，它的特點是:非接觸性、快速性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化等等，這些獨特的優(yōu)越性能使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域(董秀軍，2007;劉文龍等，2009;馬利等，2011)。三維激光掃描數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字地面模型是該技術(shù)的重要應(yīng)用之一，三維激光掃描獲取的數(shù)據(jù)量大，信息豐富，對這些點云數(shù)據(jù)處理是生成好的地面模型的前提(李亮等，2010)。梅文勝等(2010)利用三維掃描技術(shù)生成了精細(xì)地形圖。由于三維激光掃描技術(shù)最近幾年來技術(shù)發(fā)展迅速，但是數(shù)據(jù)處理理論和技術(shù)相對滯后，點云數(shù)據(jù)預(yù)處理部分是三維激光掃描技術(shù)的核心內(nèi)容之一。本文通過理論和工程實例分析三維激光掃描數(shù)據(jù)的特征信息，通過對數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中遇到的問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，給出了數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中對點云稀少區(qū)域或空白區(qū)域進(jìn)行區(qū)域分割和內(nèi)插點云的改進(jìn)方法，并利用這些處理數(shù)據(jù)生成大范圍地勢復(fù)雜區(qū)域的精細(xì)地面模型。

1 內(nèi)插算法和分割處理

由于野外數(shù)據(jù)采集中難免會有一些空白區(qū)域，不能滿足建立地形模型的要求。此時需要增加點云數(shù)據(jù)填補(bǔ)該區(qū)域，處理方法可以采用內(nèi)插算法實現(xiàn)。利用已有的觀測數(shù)據(jù)點云，通過空間格網(wǎng)模擬出地分辨率的點云數(shù)據(jù)。由于點云一般情況下數(shù)據(jù)量大，并且遠(yuǎn)距離區(qū)域間的相關(guān)性較小(程三友等，2010)，特別是復(fù)雜地區(qū)的相關(guān)性更小，因此需要對要擬合的區(qū)域從整體中進(jìn)行分割。區(qū)域分割的原則是對選取對空白區(qū)域有影響的點云數(shù)據(jù)。

分割處理選取點云數(shù)據(jù)常用三種方法:矩形區(qū)域選擇、多邊形區(qū)域選擇和自由區(qū)域選擇。矩形區(qū)域選擇方法簡單容易實現(xiàn)，缺點是有多余數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會對插值點的精度有影響，多邊形區(qū)域選擇和自由區(qū)域選擇可以精確地選取所需要的點云數(shù)據(jù)，可以提高插值點的精度，缺點是選擇效率相對較低。由于多邊形區(qū)域選擇和自由區(qū)域選擇可以減少冗余點云，因此在后續(xù)內(nèi)插算法中減少了計算量，提高了計算速度。

點云的內(nèi)插算法較多，通常采用均值內(nèi)插和采用距離定權(quán)算法(趙鑫等，2011)。假設(shè)單元空間內(nèi)的點集為 Pi(xi，yi，zi)，i=1，2，…，n，n 為空間內(nèi)點的數(shù)量。內(nèi)差點P的平面坐標(biāo)為(x，y)，計算高程采用均值內(nèi)插算法的計算公式為:

從公式(1)中可以看出，均值內(nèi)插算法簡單，但是模型不嚴(yán)密，因為沒有考慮到計算點和已知點空間信息的相關(guān)性，因此數(shù)據(jù)精度相對較低。計算高程采用距離定權(quán)算法公式為:

2 點云數(shù)據(jù)生成地面模型

采用VZ-400三維激光掃描儀對某一測區(qū)進(jìn)行測量。該儀器每秒可發(fā)射30萬激光束，標(biāo)準(zhǔn)測程1～400 m。如圖1所示，圖中不同顏色代表不同的測站，每個測站的數(shù)據(jù)量一般可達(dá)1000萬個點以上，通常一個測區(qū)往往有幾十站甚至更多的測站，因此點云數(shù)據(jù)量太大，必須刪除多余的點和噪聲點。需要說明的是還需要手工刪除一些非地形數(shù)據(jù)，比如樹木、臨時建筑物等等。

圖1 拼接后的原始點云Fig.1 Previous point cloud after stitching

當(dāng)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理后獲得一些比較干凈的數(shù)據(jù)后如圖2所示，就可以利用這些數(shù)據(jù)生成數(shù)字地面模型。但是預(yù)處理的點云數(shù)據(jù)并不是沒有缺陷，由于在野外采集數(shù)據(jù)時，地形往往是很復(fù)雜的，這樣有些地方就存在空白區(qū)，從圖2中可以看出，有些地區(qū)的數(shù)據(jù)很少，甚至有些地區(qū)沒有數(shù)據(jù)。如果測區(qū)范圍內(nèi)有較大區(qū)域缺少數(shù)據(jù)，將會嚴(yán)重影響生成的地面模型的質(zhì)量，對后續(xù)數(shù)據(jù)處理造成困難。這時就需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，首先是需要將這些沒有數(shù)據(jù)或者缺少數(shù)據(jù)的地方采用插值擬合的方法補(bǔ)充數(shù)據(jù)，本文采用上述中距離定權(quán)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插。

圖2 預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)Fig.2 Point cloud after pretreatment

在對點云進(jìn)行內(nèi)插之前需要選擇合適的數(shù)據(jù)，即對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理。分割的依據(jù)是以點云是否密集為基準(zhǔn)，對于數(shù)據(jù)充足的區(qū)域不需要增加虛擬觀測點。點云數(shù)據(jù)分割主要采用多邊形區(qū)域分割法，該方法相對于矩形區(qū)域法不僅可以提高擬合精度，而且效率高。自由分割法在選取點云時操作性比較難，定位精度較差。通過多邊形分割法選擇要內(nèi)插的區(qū)域，采用內(nèi)插方法補(bǔ)充這些稀少或者空白區(qū)域的點云數(shù)據(jù)。然后對所有點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，圖層中白色的點是未選中浮點，應(yīng)該刪除，這樣使生成的地形模型更光滑，接近真實地貌。

通過對處理后的點云數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)，進(jìn)而生成數(shù)字地面模型(圖3)。從圖中可以看出這個測區(qū)的高程范圍在1 500～1 666 m，測區(qū)高程信息豐富，模型沒有通常出現(xiàn)的巨大尖銳形狀物。需要說明的是假設(shè)原始數(shù)據(jù)不進(jìn)行補(bǔ)點、平滑處理，則生成的地面模型將會有巨大尖刺或者空白區(qū)域。

3 結(jié)束語

圖3 數(shù)字地面模型Fig.3 Digital Terrain Model

本文結(jié)合實例利用分割方法和插值技術(shù)解決點云稀少或空白區(qū)域的處理問題:采用距離定權(quán)方法有利于提高內(nèi)插算法的計算精度;區(qū)域分割法中多邊形區(qū)域選擇方法有利于提高點云內(nèi)插精度，計算的效率也較高。對點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理中利用點云的密集程度進(jìn)行分割，對密度大的點云進(jìn)行抽吸處理，對缺乏數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行擬合補(bǔ)點，處理后的點云需要進(jìn)行平滑處理，提高生成地面模型的精度。通過這些處理技術(shù)可以處理大范圍高程起伏較大區(qū)域的地面模型。三維激光掃描獲取的大量數(shù)據(jù)由于處理技術(shù)還處于研究階段，因此有巨大的研究空間。

程三友，李英杰，劉少峰.2010.基于DEM的大別山地區(qū)地貌特征研究［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，33(3):270-275.

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

李亮，吳侃，劉虎，等.2010.地面三維激光掃描地形測量數(shù)據(jù)粗差剔除算法及實現(xiàn)［J］.測繪科學(xué)，35(3):187-189.

劉文龍，趙小平.2009.基于三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.金屬礦山，(2):131-133.

馬利，謝孔振，白文斌，等.2011.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應(yīng)用［J］.北京測繪，(2):48-51.

梅文勝，周燕芳，周俊.2010.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測繪［J］.測繪通報，(1):53-56.

趙鑫，吳侃，蔡來良.2011.具有先驗信息的地面三維激光掃描地形測量數(shù)據(jù)去噪算法［J］.大地測量與地球動力學(xué)，31(4):107-115.