三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字地形建模中的應(yīng)用

李楊

【摘 要】論文簡(jiǎn)要介紹了三維激光掃描儀的工作原理，及其在歷史古建筑的保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)、減災(zāi)等方面的應(yīng)用，著重闡述了三維數(shù)據(jù)處理的步驟及方法： 點(diǎn)云的連接、剔除噪音點(diǎn)、三維建模，旨在為三維數(shù)字地形建模提供一種新的思路和方法。

【Abstract】This article briefly introduces the operating principle of 3D laser scanner， and its application in the aspects of historical architecture protection， deformation survey， disaster alleviation， etc.， mainly expounds the procedures of and methods for 3D data processing： connection of point cloud， noise point elimination， 3D modeling， the purpose of this study is to provide a new method for the research of 3D digital terrain modeling.

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描儀；地形測(cè)量；三維數(shù)字地形建模

【Keywords】3D laser scanner；topographic survey；3D digital terrain modeling

【中圖分類號(hào)】TP73 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）01-0194-03

1 引言

三維激光掃描儀能以不接觸被測(cè)物體的方式快速獲取掃描范圍內(nèi)高密度、高精度的三維點(diǎn)位坐標(biāo)， 其掃描速度可達(dá)數(shù)萬點(diǎn)每秒[1-2]，按測(cè)距原理可分為：三角法、脈沖式、相位式和脈沖—相位式三維激光掃描儀[3]，其作為一項(xiàng)實(shí)用高效的測(cè)量手段和技術(shù)，引進(jìn)我國(guó)10余年來，已經(jīng)得到了廣大測(cè)繪科技人員的關(guān)注和青睞[4]。

三維激光掃描儀目前在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用在建（構(gòu)）筑物三維可視化模型建立，特別是歷史古建筑物的保存與恢復(fù)、變形監(jiān)測(cè)、地面建筑物、地下鐵路施工監(jiān)測(cè)、滑坡、泥石流、礦區(qū)地表沉陷等工程上的試驗(yàn)性應(yīng)用較多[5-7]，在野外高精度特殊用途數(shù)字地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方面較少見，這主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)在“除噪”、“降噪”上難度較大，2011年我院承擔(dān)的生產(chǎn)項(xiàng)目是三維掃描技術(shù)在獲取高精度地形數(shù)據(jù)方面的一次大膽嘗試，為以后三維掃描技術(shù)在同類工程及地形數(shù)據(jù)采集方面積累了經(jīng)驗(yàn)。

2 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于陜西省韓城市芝川鎮(zhèn)東少梁村境內(nèi)的黃河臺(tái)塬上、著名旅游景區(qū)司馬遷祠對(duì)面、涺水河?xùn)|岸。從西禹高速芝川大橋起向西北方向綿延約1.5公里長(zhǎng)（一期工程）、寬200～400m之間。測(cè)區(qū)為典型黃土地貌，溝壑眾多，有一定植被覆蓋，施測(cè)困難。

項(xiàng)目要求數(shù)字地面模型點(diǎn)位采集密度達(dá)到10cm×10cm×10cm（XYH）的精度要求，塬上和塬下地勢(shì)平緩地區(qū)可放寬到30cm×30cm。常規(guī)測(cè)量方法難以滿足要求，因此采用三維激光掃描技術(shù)獲取項(xiàng)目區(qū)三維模型成果。

3 研究方法

3.1 測(cè)量方案

利用高精度GPS測(cè)量系統(tǒng)獲取已知反射點(diǎn)（靶標(biāo)）的大地坐標(biāo)（測(cè)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)）。同時(shí)利用激光掃描儀獲取已知反射點(diǎn)（靶標(biāo)）的相對(duì)坐標(biāo)。根據(jù)已知反射點(diǎn)大地坐標(biāo)和相對(duì)坐標(biāo)（工程坐標(biāo)）進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。

野外數(shù)據(jù)采集過程中采用了自由設(shè)站的工作模式，每一測(cè)站數(shù)據(jù)采集完畢后同時(shí)對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行掃描，然后用RTK測(cè)得標(biāo)靶在GPS控制網(wǎng)中的三維坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)量標(biāo)靶的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件將掃描點(diǎn)云拼接在一起。野外工作實(shí)踐證明，這種工作模式比較適合大場(chǎng)景的地形掃描工程項(xiàng)目。

3.2 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要采用Cyclone軟件和Geomagic軟件，利用Cyclone軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接和數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用Geomagic軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)精細(xì)化處理與三維數(shù)據(jù)建模。

第一，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。

利用Cyclone軟件中的Registration模塊將不同測(cè)站（ScanWorld ）的數(shù)據(jù)拼接到一起，初始的坐標(biāo)系統(tǒng)是由指定的其中某一個(gè)獨(dú)立的掃描儀的位置和方向決定的。將標(biāo)靶的坐標(biāo)文件（.txt）設(shè)置為目標(biāo)測(cè)站（homeScanWorld），其余所有測(cè)站（ScanWorld）的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以標(biāo)靶的實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)為約束條件，通過旋轉(zhuǎn)相應(yīng)三個(gè)方向的坐標(biāo)軸拼接到home ScanWorld上去。點(diǎn)云拼接方式可選擇：點(diǎn)云—點(diǎn)云，點(diǎn)云—標(biāo)靶，標(biāo)靶—標(biāo)靶。本次作業(yè)采用點(diǎn)云—標(biāo)靶拼接方式，拼接誤差如圖1所示，可以看出拼接誤差為毫米級(jí)，完全滿足工程需要。

第二，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是去除覆蓋于地形表面上的植被或是與地形信息不相關(guān)的人、電力線、建筑和其附屬設(shè)施等地形“噪音點(diǎn)”。主要采取兩個(gè)步驟：“點(diǎn)云分層和分塊”和“點(diǎn)云切片”。

點(diǎn)云分層和分塊。將覆蓋于地形表面上的高大植被或是掃描現(xiàn)場(chǎng)不相關(guān)的人、電力線、建筑等明顯不相關(guān)的信息通過手動(dòng)的方式逐層、逐塊切割，將這些雜亂數(shù)據(jù)分配到噪音點(diǎn)圖層中去，此步驟需要大量的人工干預(yù)。

點(diǎn)云切片。通過點(diǎn)云的分層和分塊去除部分明顯噪音點(diǎn)后，用點(diǎn)云的切片功能來進(jìn)一步精細(xì)處理那些不明顯的噪音數(shù)據(jù)（如：小草）。將整個(gè)項(xiàng)目區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿等高線走向，每隔0.1m高程切割成若干切片，對(duì)每一條切片進(jìn)行精細(xì)化去除噪音點(diǎn)。如圖2、圖3所示。

第三，Geomagic中去除噪音點(diǎn)。

經(jīng)過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層分塊、點(diǎn)云切片降噪處理后，把處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic中，通過自動(dòng)去除噪音點(diǎn)（降低噪音點(diǎn)）、選擇體外孤點(diǎn)和去除琉璃三種數(shù)據(jù)處理方式，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)做進(jìn)一步精細(xì)化處理。endprint

在去除噪音點(diǎn)的過程中會(huì)剔除大量冗余數(shù)據(jù)，植被茂盛的地方點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏，甚至有一些空洞區(qū)域，直接構(gòu)建數(shù)字地面模型不能很好地表達(dá)微地貌。因此利用具有無棱鏡測(cè)距功能全站儀或RTK對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏和有空洞的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，補(bǔ)測(cè)點(diǎn)應(yīng)能控制空洞區(qū)域地形總體特征，由于補(bǔ)測(cè)點(diǎn)的密度無法達(dá)到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密集程度，需通過數(shù)據(jù)內(nèi)插的方法補(bǔ)充點(diǎn)云數(shù)據(jù)以達(dá)到微地貌建模的需要。

3.3 數(shù)據(jù)建模

第一，數(shù)字線劃圖（DLG）。

基于去除噪音點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic里對(duì)數(shù)字地面模型進(jìn)行直接構(gòu)建，通過測(cè)區(qū)三維數(shù)字地面模型生成0.5m等高距等高線，編輯后形成測(cè)區(qū)數(shù)字線劃圖。

第二，三維數(shù)據(jù)建模。

在Maya或3DMax下進(jìn)行模型貼圖渲染，通過紋理貼圖、增加植被和建筑物模型、場(chǎng)景燈光設(shè)置、動(dòng)畫渲染、效果調(diào)整等步驟對(duì)模型進(jìn)行處理，模型導(dǎo)入導(dǎo)出過程中保證坐標(biāo)信息不丟失。由于本次作業(yè)重點(diǎn)表達(dá)測(cè)區(qū)三維地形場(chǎng)景，在建筑物及其附屬設(shè)施建模、模型美化等方面投入精力較少，致使三維模型在表達(dá)植被、建、構(gòu)筑物上視覺效果不佳。制作形成的測(cè)區(qū)三維地形數(shù)據(jù)場(chǎng)景如圖4所示。

4 結(jié)語

三維激光掃描系統(tǒng)具有快速、細(xì)致和高精度的特點(diǎn)。將其應(yīng)用在數(shù)字地形建模方面，可以減輕野外測(cè)量人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少時(shí)間耗費(fèi)，并能夠獲得滿意的地形建模結(jié)果。

本次作業(yè)所用掃描儀激光脈沖為單次回波，點(diǎn)云總數(shù)據(jù)量接近12GB，數(shù)據(jù)處理后有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)不足4GB，造成大量數(shù)據(jù)冗余，局部地區(qū)在剔除噪音點(diǎn)后，仍需采用內(nèi)插方式增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量較大；若采用市場(chǎng)上較為先進(jìn)的多次回波工作方式，能否有效降低數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)處理效率，仍需進(jìn)一步研究。

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