三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字地形建模中的應(yīng)用

李楊

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，西安 710003）

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。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接誤差

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。

圖2 點(diǎn)云切片

圖3 噪音點(diǎn)數(shù)據(jù)

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。

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。

圖4 測(cè)區(qū)三維數(shù)據(jù)模型

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。