地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

■徐超 陳銀珠

(浙江省測(cè)繪大隊(duì) 浙江杭州 310030)

地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

■徐超 陳銀珠

(浙江省測(cè)繪大隊(duì) 浙江杭州 310030)

利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)的新領(lǐng)域應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)測(cè)繪領(lǐng)域的工作方式。本文利用PCL設(shè)計(jì)了地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪系統(tǒng)，加快內(nèi)業(yè)編繪地形圖工作速度，是新測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用的嘗試。

點(diǎn)云PCL測(cè)量

1 前言

目前，外業(yè)測(cè)量工作主要采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，數(shù)據(jù)采集工作主要依靠全站儀和GPS進(jìn)行稀疏目標(biāo)點(diǎn)的高精度測(cè)量，外業(yè)作業(yè)人員需要對(duì)采集的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理出圖，工作量較大，工作時(shí)間較長(zhǎng)。三維激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，為信息數(shù)字化發(fā)展提供了必要的條件。三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體的空間位置高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)快速采集，具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，極大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，適合作為外業(yè)采集的新型作業(yè)工具，替代傳統(tǒng)的全站儀和GPS[1]。

本文介紹以PCL(Point Cloud Library)為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)類庫(kù)，設(shè)計(jì)用于地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪處理的立體三維點(diǎn)云工廠平臺(tái)信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于協(xié)助測(cè)繪人員快速制圖，且以三維場(chǎng)景視角展現(xiàn)測(cè)場(chǎng)的地物地貌，給人以身臨其境的視覺效果，也為構(gòu)建城市三維場(chǎng)景模型提供了數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程

2.1 PCL介紹

PCL（Point Cloud Library）是一個(gè)獨(dú)立的大型的處理二維/三維圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的開源工程，PCL包含了許多先進(jìn)算法，比如濾波，特征估計(jì)，表面重建，模型擬合和分割等[2]。PCL是在吸收了前人點(diǎn)云相關(guān)研究基礎(chǔ)上建立起來的大型跨平臺(tái)開源C++編程庫(kù)，它實(shí)現(xiàn)了大量點(diǎn)云相關(guān)的通用算法和高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，涉及到點(diǎn)云獲取、濾波、分割、配準(zhǔn)、檢索、特征提取、識(shí)別、追蹤、曲面重建、可視化等。支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，可在Windows、Linux、Android、Mac OS X、部分嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)上運(yùn)行。

PCL潛在的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，目前得到應(yīng)用的領(lǐng)域包括機(jī)器人智能感知領(lǐng)域，CAD/CAM逆向工程領(lǐng)域，激光遙感測(cè)量領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)及人機(jī)交互領(lǐng)域。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪系統(tǒng)是PCL類庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和立體顯示，通過人機(jī)交互方式，采集有效的點(diǎn)快速繪制二維平面地形圖，并存儲(chǔ)到共享數(shù)據(jù)庫(kù)中，支持遠(yuǎn)程點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和展示。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為具備點(diǎn)云數(shù)據(jù)特性提取，快速自動(dòng)繪制地形圖，影像匹配三維建模，網(wǎng)絡(luò)共享操作處理等功能的點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用型系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)三維激光掃描數(shù)據(jù)軟件處理方面創(chuàng)新型應(yīng)用產(chǎn)品。對(duì)激光掃描儀采集的多站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理和特性點(diǎn)提取。對(duì)提取的地物特性點(diǎn)連接構(gòu)線，最終形成高精度的地形圖。

2.3 系統(tǒng)詳細(xì)流程說明

2.3.1 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)體三維幾何模型時(shí)，對(duì)于不同的應(yīng)用對(duì)象、不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特性，三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的過程和方法也不盡相同。

整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程可以概括為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建和模型可視化。

數(shù)據(jù)采集是模型重建的前提，數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低模型重建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的精確度和速度，主要內(nèi)容有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、不同站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及融合等；模型重建階段涉及的內(nèi)容包括三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡(jiǎn)化和紋理映射等。

2.3.2 地物特征點(diǎn)的提取

地物特征點(diǎn)提取模型的建立，對(duì)于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型建立和地形圖生成功能具有決定性作用。提取地物特性點(diǎn)需要首先做數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)分割、采樣、去除離散點(diǎn)等數(shù)據(jù)預(yù)處理操作，然后利用數(shù)據(jù)擬合模型實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)特性點(diǎn)的提取。

2.3.3 等高線自動(dòng)構(gòu)建

等高線是地形圖承載的重要內(nèi)容，建立有效的等高線自動(dòng)構(gòu)建模型是本系統(tǒng)所要研究的重要內(nèi)容。等高線的建立需要將特征點(diǎn)上的高程值進(jìn)行有效提取。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建地表模型和提取的特征點(diǎn)，自動(dòng)提取特征點(diǎn)上的高程值。這里涉及到地表模型TIN和內(nèi)插算法模型。系統(tǒng)可以疊加DLG和DOM對(duì)等高線進(jìn)行編輯，人機(jī)判別提高等高線提取準(zhǔn)確度和精度。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

地形測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)編繪系統(tǒng)基于PCL（Point Cloud Library）和.NET技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為C/S結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 11g存儲(chǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，從而實(shí)現(xiàn)了多人同時(shí)在線調(diào)用、更新數(shù)據(jù)庫(kù)，并且可以實(shí)時(shí)地查看其他人對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新內(nèi)容。

3.2 功能模塊介紹

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)通過PCL類庫(kù)的數(shù)據(jù)管理接口，實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出功能與測(cè)站信息的管理和維護(hù)功能。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)視圖管理子系統(tǒng)利用PCL類庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維渲染顯示、三維點(diǎn)編輯處理和交互瀏覽等功能；利用ArcEngine二次開發(fā)包實(shí)現(xiàn)將提取的三維點(diǎn)轉(zhuǎn)換為二維點(diǎn)顯示功能，以及二三維圖形的互動(dòng)顯示功能，方便空間地物的定位和定向。

（3）點(diǎn)云特性信息管理子系統(tǒng)是利用PCL類庫(kù)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過濾篩選，特性點(diǎn)信息提取，三維模型的構(gòu)建和渲染處理，處理針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)到三維模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)表面重建技術(shù)。

（4）點(diǎn)云編輯制圖子系統(tǒng)是針對(duì)測(cè)繪行業(yè)需求實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能子系統(tǒng)，通過研發(fā)特定算法的功能模型，結(jié)合PCL類庫(kù)接口，開發(fā)等高線構(gòu)建功能模塊，地形圖快速構(gòu)建和地形圖修飾整理等功能模塊。

4 總結(jié)

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)編繪地形圖是三維點(diǎn)云工廠應(yīng)用的新領(lǐng)域，對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域也是新的技術(shù)嘗試，目前還沒有成熟的方案可以直接借鑒。本文利用PCL開源類庫(kù)，設(shè)計(jì)了由激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)編繪地形圖的新型繪圖系統(tǒng)，將給傳統(tǒng)測(cè)繪領(lǐng)域帶來新的技術(shù)思考和繪圖工作方式的改變，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

[1]徐曉雄,劉松林,李白.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)及其在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].中國(guó)測(cè)繪. 2009,(2),62-65.

[2]朱德海,郭浩,蘇偉.點(diǎn)云庫(kù)PCL學(xué)習(xí)教程 (M).北京航空航天出版,2012.

The Design of Terrain Survey Editing System

Xu Chao，Chen Yinzhu
(Suveying and Mapping Team of Zhejiang Province, Hangzhou,Zhejiang,310030)

Using three-dimensional point cloud data plotted topographic map is new areas of application of point cloud data processing technology.And it is changing the traditional way of surveying and mapping work in the field.In this paper,the design of the topographic survey PCL compilation system within the indoor to speed up speed for compilation topographic maps,is the new mapping technology applications attempt.

point cloud,PCL,surveying

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-243-2