利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取采石場(chǎng)地貌特征

吳曉章，謝宏全，徐瑞基，龍 輝，盧 霞,王 晨

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2. 淮海工學(xué)院測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 3. 海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590； 4. 江蘇萬源測(cè)繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001； 5. 地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210007)

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利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取采石場(chǎng)地貌特征

吳曉章1,2，謝宏全2,3，徐瑞基2，龍 輝4，盧 霞2,王 晨5

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2. 淮海工學(xué)院測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 3. 海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590； 4. 江蘇萬源測(cè)繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001； 5. 地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210007)

三維激光掃描技術(shù)在地貌特征提取方面能夠?qū)崟r(shí)、主動(dòng)、高效完成數(shù)據(jù)采集工作，具有傳統(tǒng)測(cè)量方法不具有的特點(diǎn)。利用研究區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等高線和三維模型可以真實(shí)地反映出其地貌特征。本文選擇李莊采石場(chǎng)為研究對(duì)象，利用徠卡C10掃描儀獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Cyclone和Geomagic Studio軟件相結(jié)合對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，再分別利用Cyclone、CASS、Surfer 3種軟件提取地貌特征，并與常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：3種軟件均可以生成等高線并生成理想的三維模型，且均有其特性；在制作精度和效率方面，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制出的等高線相比常規(guī)測(cè)量方法有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；采石場(chǎng)；地貌特征；三維模型

三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中已有一定的應(yīng)用研究[1-2]，但是由于目前還沒有軟件能夠滿足點(diǎn)云的各種非地形點(diǎn)剔除要求，對(duì)于大范圍的地形掃描，容易造成數(shù)據(jù)缺失等，其應(yīng)用于地形圖精細(xì)繪制還需要長(zhǎng)期的研究[3]。利用三維激光掃描儀獲得的三維數(shù)據(jù)容易生成較常規(guī)測(cè)量方法更為準(zhǔn)確的等高線和三維模型，具有一定的研究意義。近年來一些國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定的研究成果。王兆忠等[4]比較和分析了利用Section、Surfer和南方CASS 3種繪圖軟件繪制勘查區(qū)的地形等高線圖；尹言軍等[5]對(duì)CASS和Surfer在大比例尺地形圖中自動(dòng)生成等高線的質(zhì)量、速度等方面進(jìn)行了比較和分析。本文選擇李莊采石場(chǎng)為研究對(duì)象，利用徠卡C10掃描儀獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過Cyclone和Geomagic Studio軟件對(duì)獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，再采用Cyclone、CASS、Surfer等3種軟件分別提取地貌特征，并與常規(guī)測(cè)量方法測(cè)出的數(shù)據(jù)作對(duì)比分析。

1 采石場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

李莊采石場(chǎng)位于江蘇省連云港市連云區(qū)云臺(tái)山街道辦事處李莊村李莊水庫北側(cè)，行政區(qū)劃分屬于連云區(qū)云臺(tái)山街道管轄。采石場(chǎng)附近交通便利，西側(cè)有連霍高速、隴海鐵路。采石場(chǎng)較空曠，由于開采的緣故，采石平面形狀不規(guī)則，地貌起伏不規(guī)律，植被較少，人流量相對(duì)較小，適宜進(jìn)行地貌特征的提取。

1.2 采石場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

合作單位江蘇萬源測(cè)繪地理信息有限公司于2006年利用RTK對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。2015年11月17日，筆者利用徠卡C10掃描儀對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。為了與合作單位提供的2006年RTK測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選擇在相同坐標(biāo)系下獲取掃描數(shù)據(jù)。

根據(jù)徠卡C10的特點(diǎn)，需獲取兩個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。由合作單位技術(shù)人員采用南方公司的靈銳S82T接收機(jī)，在JSCORS系統(tǒng)支持下，采用RTK方式對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行控制點(diǎn)的選取與測(cè)量，得到兩個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)。為了達(dá)到掃描目的和精度要求，結(jié)合李莊采石場(chǎng)較為復(fù)雜的地形特點(diǎn)，又考慮到徠卡C10掃描儀獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用全站儀模式對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行掃描[6]，共設(shè)立測(cè)站12站，采用中等分辨率，每站測(cè)量時(shí)間約為30 min。對(duì)于視野開闊地形平坦區(qū)域采用矩形區(qū)域，對(duì)于地形復(fù)雜的區(qū)域采用全景掃描，經(jīng)過7個(gè)多小時(shí)的測(cè)量，完成了采石場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

1.3 采石場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

將獲取的多個(gè)測(cè)站的采石場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中利用自動(dòng)拼接功能進(jìn)行拼接。由于在提取地貌特征時(shí)，需將2006年的RTK測(cè)量數(shù)據(jù)與本次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，故在處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，需要保證兩者的范圍相同。刪除研究區(qū)域以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，剔除非地貌因素的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度大且分布不均勻，對(duì)地貌特征的提取會(huì)產(chǎn)生一定的影響，且為了便于后期將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS軟件中處理，需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按地形測(cè)繪要求的密度進(jìn)行統(tǒng)一化處理。本試驗(yàn)進(jìn)行了1 m點(diǎn)云間隔的統(tǒng)一化處理，將統(tǒng)一化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為xyz類型的數(shù)據(jù)文件。

將利用Cyclone軟件處理后得到的xyz類型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic studio軟件中，進(jìn)行著色、去除體外孤點(diǎn)及非連接項(xiàng)、減少噪音、數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)等操作，完成對(duì)研究區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)。

2 提取地貌特征

利用研究區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等高線和三維模型可以真實(shí)地反映出其地貌特征，利用目前較為常用的3款繪圖軟件Cyclone、CASS、Surfer分別提取研究區(qū)地貌特征。三款軟件中設(shè)置比例尺均為1∶500，等高距均為1 m。

2.1 利用Cyclone軟件

Cyclone是一款與徠卡三維掃描系統(tǒng)配套的專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，不僅能夠進(jìn)行點(diǎn)云的預(yù)處理，在提取地貌特征等方面也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。高紹偉等[7]利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成了TIN模型，并采用人工提取地形、地物高程點(diǎn)和特征點(diǎn)的方法，結(jié)合數(shù)字化測(cè)圖軟件繪制了地形圖；樊琦等[8]證實(shí)了針對(duì)Cyclone軟件提出的建模方法是可行的。但鮮有學(xué)者將利用Cyclone提取的地貌特征與利用常規(guī)方法提取的地貌特征進(jìn)行對(duì)比。本試驗(yàn)利用Cyclone軟件的Mesh功能把經(jīng)過預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成TIN模型；使用多邊形去噪工具手動(dòng)剔除點(diǎn)云邊界外的多余部分，將未覆蓋點(diǎn)云的Mesh部分選中后剔除，得到了研究區(qū)的三維模型(如圖1所示)，再通過Contoars功能生成等高線(如圖2所示)。

圖1 Cyclone中生成的三維模型

圖2 Cyclone中生成的等高線

將生成的等高線保存為CASS軟件所需的DXF類型的數(shù)據(jù)文件后，導(dǎo)入CASS中進(jìn)行后期屬性添加、等高線修剪，并與利用RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)生成的等高線進(jìn)行對(duì)比。

2.2 利用CASS軟件

CASS軟件是基于AutoCAD平臺(tái)技術(shù)的數(shù)字化測(cè)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于野外數(shù)字化地形成圖，進(jìn)行大比例尺地形測(cè)繪。陳新璽等[9]利用CASS軟件，針對(duì)3個(gè)不同區(qū)域的海底地形數(shù)據(jù)進(jìn)行等深線生成試驗(yàn)，對(duì)軟件的應(yīng)用能力進(jìn)行了詳細(xì)的比較和分析。

由于Geomagic Studio軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)為VTX類型的數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)類型的文件無法導(dǎo)入CASS軟件中使用，故導(dǎo)入前需要將VTX類型的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為DAT類型的數(shù)據(jù)文件。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS軟件中，經(jīng)過定顯示區(qū)，展野外測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位，建立DTM，經(jīng)設(shè)置比例尺、等高距等操作后生成等高線(如圖3所示)，修改三角網(wǎng)，生成三維模型(如圖4所示)，再利用RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)生成等高線和三維模型。

圖3 CASS中生成的等高線

圖4 CASS中生成的三維模型

2.3 利用Surfer軟件

Surfer是一款畫二維、三維圖的優(yōu)秀軟件，如繪制等高線、向量圖、3D表面圖等。該軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，生成等高線、圖形圖像等的質(zhì)量比較高，且生成快速，易于修改，在等高線繪制中具有其他軟件不可比擬的優(yōu)勢(shì)。姚艷麗等[10]分別使用了Cloud Compare、Polyworks和Surfer8軟件對(duì)兩期滑坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了整體變形監(jiān)測(cè)分析。

Surfer對(duì)繪制等值線的數(shù)據(jù)有特殊的格式要求，需首先將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成GRD類型的數(shù)據(jù)文件，才能繪制等值線，即繪制等值線需要先將Geomagic Studio軟件輸出的VTX類型的數(shù)據(jù)文件先轉(zhuǎn)成DAT類型的數(shù)據(jù)文件再轉(zhuǎn)換成GRD類型的數(shù)據(jù)文件。在“網(wǎng)格方法”中選擇克里金插值法，生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)報(bào)告后，再生成等值線圖。

分別利用研究區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制出等值線(如圖5和圖6所示)，并進(jìn)行對(duì)比。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的等值線

圖6 RTK數(shù)據(jù)生成的等值線

利用Surfer軟件生成三維模型，常采用的方法有2.5維DEM法和三維的基于線框、表面的建模法。本試驗(yàn)使用后者建模方法生成曲面圖。選擇上一步生成的GRD類型的數(shù)據(jù)文件，生成3D曲面圖(如圖7所示)。

圖7 Surfer中生成的3D曲面圖

3 結(jié)果對(duì)比分析

通過對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果的比較分析可得出3種軟件的特性如下：

3.1 Cyclone軟件

Cyclone軟件可以直接對(duì)經(jīng)過處理后的研究區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地貌特征的提取，避免了多個(gè)軟件間的來回切換；其能夠處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特性是CASS和Surfer軟件所不具有的；生成的等高線可與TIN重疊顯示，若存在陡坎等地物因等高距較大未顯示出來時(shí)可及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；Cyclone生成的三維模型相比CASS和Surfer細(xì)節(jié)較為豐富；點(diǎn)云與生成的TIN重疊在一起，可以很直觀地顯示出范圍線外多余的TIN，利用多邊形工具沿范圍線進(jìn)行修剪和調(diào)整，以免影響下一步的等高線的生成；在TIN中可以清晰觀察出部分因樹木遮擋造成反射所生成的尖狀物，而這是與真實(shí)地形不符的，需要進(jìn)行剔除；可以對(duì)生成的TIN進(jìn)行放大和縮小及任意角度的旋轉(zhuǎn)，便于查看。

Cyclone軟件在地貌特征提取中的缺陷為：生成的等高線相比其他兩個(gè)軟件較為生硬；不能直接對(duì)生成的等高線進(jìn)行修飾和標(biāo)注，需要與其他軟件相結(jié)合進(jìn)行處理，較為煩瑣。

3.2 CASS軟件

相比Surfer和Cyclone軟件，CASS軟件可以對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行刪減和修整，能充分考慮陡坎等特殊地物，可自動(dòng)切除穿陡坎、穿高程注記等高線等功能，滿足對(duì)等高線的修飾，以便真實(shí)反映研究區(qū)域的地形地貌；可以控制等高線的生成范圍，且在圖像中可以加入一些地性信息，信息量較為豐富。

CASS軟件在地貌特征提取中的缺陷為：CASS軟件生成的等高線會(huì)出現(xiàn)相交的地方，需要人工根據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行修改和調(diào)整；由于軟件對(duì)散點(diǎn)有數(shù)量上的限制，CASS無法直接處理由Cyclone軟件導(dǎo)出的海量數(shù)據(jù)，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)；相比其他兩款軟件，CASS生成等高線的速度較為緩慢；CASS的三維模型的顯示效果較差，相比其他兩款軟件細(xì)節(jié)較少，不夠直觀。

3.3 Surfer軟件

Surfer軟件在提取地貌特征方面具有其他兩種軟件所不具有的優(yōu)勢(shì)：該軟件生成等值線和3D曲面圖具有坐標(biāo)軸等使地貌特征顯得更加直觀；生成的等值線間填充漸變色更能反映出地形的變化趨勢(shì)，生成的3D曲面圖也可以根據(jù)需求填充不同的漸變色來反映其地形變化；可以設(shè)置等值線的線型、顯示數(shù)值、光滑程度，以及等值線的等級(jí)、類別、比例尺；一般不會(huì)出現(xiàn)等值線相交的情況；操作相對(duì)簡(jiǎn)便。

Surfer軟件在地貌特征提取中的缺陷為：點(diǎn)狀要素的顯示和定位較差，并且層的功能較弱；其3D曲面圖與等值線不能相互對(duì)應(yīng)，模型不如Cyclone精確；生成的等值線不能加入地性信息，因此在研究區(qū)地勢(shì)起伏比較大時(shí)存在等值線交錯(cuò)的情況；Surfer導(dǎo)出的等值線數(shù)據(jù)沒有高程信息，這給研究人員帶來了一定的不便；該軟件不具有動(dòng)態(tài)顯示的功能，無法滿足連續(xù)觀察的要求，以便更好地對(duì)圖形作分析評(píng)價(jià)。

將利用RTK數(shù)據(jù)生成的等高線與利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的等高線作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者在一些地勢(shì)平坦的區(qū)域區(qū)別不大，但在一些地形變化較大的區(qū)域，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的等高線細(xì)節(jié)較為豐富，更能反映出研究區(qū)域地形變化。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)研究，證明了利用Cyclone、CASS、Surfer軟件提取地貌特征是完全可靠、可行的。與常規(guī)測(cè)量方法相比，利用三維激光掃描技術(shù)提取的地貌特征更加接近實(shí)際。通過本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，還有許多需要改進(jìn)的地方，如利用三維激光掃描技術(shù)提取的地貌特征點(diǎn)是隨機(jī)的，經(jīng)過點(diǎn)云統(tǒng)一化處理后，若點(diǎn)云間隔較大，會(huì)造成一部分地物信息的缺失。而常規(guī)方法在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，一般是人為選取地貌特征點(diǎn)，效果相對(duì)較好，故如何利用三維激光掃描技術(shù)全自動(dòng)提取地貌特征點(diǎn)，仍是尚待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。如何減少遮擋物和掃描物體的反射對(duì)利用三維激光掃描提取地貌特征結(jié)果的影響，也是一個(gè)需要深入研究和解決的問題。

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The Method of Extracting Topographic Feature of the Quarry by Laser Point Cloud Data

WU Xiaozhang1,2，XIE Hongquan2,3，XU Ruiji2，LONG Hui4，LU Xia2，WANG Chen5

(1. Faculty of Information Engineering, China University of Geosciences ,Wuhan 430074,China; 2. School of Geodesy & Geomatics Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005,China; 3. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying,Mapping and Geoinformation,Qingdao 266590, China; 4. Jiangsu Wanyuan Mapping Geographic information Co. Ltd., Lianyungang 222001, China; 5. Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey,ECE,Nanjing 210007, China)

The 3D laser scanning technology, which has the characteristics that the traditional measurement methods do not have,can extract topographic features timely, actively and efficiently. The contour lines and the 3D model can be used to reflect the topographic features of the study area. The data of the laser point cloud are acquired by Leica C10 scanner. Cyclone and Geomagic Studio are used to preprocess the data. Cyclone,CASS and Surfer are used to extract the topographic features. Conventional measurement methods are compared and analyzed.The results show that the three kinds of software can generate contour lines and the ideal three-dimensional model, and all have their own characteristics. As to the production of precision and efficiency, the contour line drawn from the point cloud data is obviously superior to the conventional methods.

laser point cloud data；quarry；topographic feature；3D model

吳曉章，謝宏全，徐瑞基,等.利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取采石場(chǎng)地貌特征[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(7)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0229.

2016-12-07;

2016-12-26

海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2014B09)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41506106)；2014年度江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(SD201411641107002)

吳曉章(1993—)，男，碩士生，主要從事三維激光掃描方面的研究。E-mail:cug.wxz@foxmail.com

P237

A

0494-0911(2017)07-0085-04