高志國(guó)

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060)

1 引言

地面三維激光掃描技術(shù)(Terrestrial Laser Scanning，TLS)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種快速獲取空間三維信息的新技術(shù)手段，使得空間數(shù)據(jù)的獲取從傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集向連續(xù)的、密集型自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)轉(zhuǎn)變。然而相對(duì)三維激光掃描技術(shù)硬件的發(fā)展的成熟度而言，三維激光掃描技術(shù)所獲取的實(shí)體的點(diǎn)云(Point Cloud)數(shù)據(jù)的后處理還相對(duì)滯后，而且在測(cè)繪領(lǐng)域都還沒有形成一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理方案，因此對(duì)數(shù)據(jù)處理的研究顯得尤為重要［10］。

2 基于TerraScan模塊的數(shù)據(jù)處理

2.1 TerraSolid系列產(chǎn)品介紹

TerraSolid系列軟件是第一套商業(yè)化LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件，基于Microstation開發(fā)的，因此需要熟悉Microstation操作的用戶才能很好地使用它。它包括:TerraMatch、TerraScan、TerraModeler、TerraPhoto、TerraSurvey、TerraPhoto Viewer、TerraScan Viewer、TerraPipe、TerraSlave、Terra-PipeNet等模塊。TerraSolid系列軟件能夠快速載入Li-DAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在足夠內(nèi)存支持下(2G)，載入 39 000 000個(gè)點(diǎn)只需要40多秒。TerraSoild軟件因受限于Microstation，瀏覽起來閃爍較為明顯，速度不快。

2.2 TerraScan軟件模塊

TerraScan軟件模塊能夠讀取除了標(biāo)準(zhǔn)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)格式*．las文件外，還可以讀取*．xyz數(shù)據(jù)格式文件，因此為其他掃描儀提供了良好的數(shù)據(jù)接口。TerraScan的基本功能如下:

①以xyz文本或類似于LAS和 TerraScan的二進(jìn)制文本讀入原始的激光點(diǎn)云

②三維方式瀏覽數(shù)據(jù)

③自定義點(diǎn)類別

④激光點(diǎn)自動(dòng)手動(dòng)分類

⑤交互式判別三維目標(biāo)(如:鐵塔)

⑥數(shù)字化地物

⑦探測(cè)電力線

⑧矢量化房屋

⑨生成激光點(diǎn)的截面圖

⑩輸出點(diǎn)分類

TerraScan軟件模塊具有能夠完成大量雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類處理等工作，并且能根據(jù)用戶對(duì)不同數(shù)據(jù)分類要求，完成數(shù)據(jù)讀取、分類、處理、建模等相關(guān)工作。TerraScan軟件還可以根據(jù)用戶的不同需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，結(jié)合該軟件中的其他數(shù)據(jù)處理模塊，(如 TerraModel模塊、TerraPhoto模塊、TerraStreet模塊等)完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的二次分類，并通過人機(jī)交互等操作對(duì)地物進(jìn)行建模等。

2.3 TerraScan的分類原理

TerraScan是基于利用改進(jìn)的不規(guī)則TIN網(wǎng)加密方法進(jìn)行分類的。首先，通過迭代計(jì)算初始化一個(gè)稀疏不規(guī)則TIN網(wǎng)，事先設(shè)定TIN網(wǎng)閾值并通過計(jì)算將每次滿足條件的點(diǎn)添加到TIN網(wǎng)中。然后，對(duì)不滿足先前條件的點(diǎn)重新構(gòu)建新的不規(guī)則TIN網(wǎng)，并重新計(jì)算新的閾值條件，對(duì)后續(xù)點(diǎn)進(jìn)行同樣的篩選判斷。重復(fù)操作，直到不再有新點(diǎn)加入為止［7］。

由于本次論文數(shù)據(jù)是采用徠卡地面三維激光掃描儀Lecia ScanStation2獲取的，其數(shù)據(jù)文件格式未知，而其工程文件格式為*．imp格式，因而不能直接讀取到TerraScan軟件進(jìn)行后續(xù)的處理等操作，但可以通過數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換來完成相互的操作。TerraScan可讀取的數(shù)據(jù)格式為*．dte文件、標(biāo)準(zhǔn)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)格式*．las和數(shù)據(jù)格式為*．XYZ的數(shù)據(jù)文件。因此可以將數(shù)據(jù)直接讀入Lecia ScanStation2掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作，用徠卡本身的cyclone數(shù)據(jù)后處理軟件提供的多種數(shù)據(jù)格式輸出與轉(zhuǎn)換接口，通過數(shù)據(jù)輸出格式轉(zhuǎn)換成TerraScan軟件能夠直接讀取的*．XYZ數(shù)據(jù)格式讀入軟件如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀入

2.4 TerraScan的分類過程

TerraScan工具箱為數(shù)據(jù)后處理提供了豐富的分類工具，使用戶能夠方便快捷地對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類工作。三維激光掃描儀接收返回的激光信號(hào)不僅包括地面反射，同時(shí)也包含多種誤差信息等。因此需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各種類型的數(shù)據(jù)和誤差區(qū)分開來。

TerraScan軟件模塊中提供了多種數(shù)據(jù)分類的類別。同時(shí)，用戶還可以根據(jù)自己的實(shí)際或工程需要，添加新的所需的分類類別，每個(gè)激光信號(hào)分類類別都是唯一的，如圖2所示。

圖2 TerraScan點(diǎn)分類及其屬性

如圖2所示，使用者可以根據(jù)實(shí)際需要，使用“Add”命令對(duì)分類的類別進(jìn)行添加，使用“Edit”命令對(duì)上述的分類類別屬性等信息進(jìn)行修改等操作。

(1)分離低點(diǎn)

所謂低點(diǎn)，就是指高程明顯低于周圍區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)高程的一些點(diǎn)。分離低點(diǎn)通常對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)擊進(jìn)行初始化，尋找高程明顯低于周圍區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)集的高程的錯(cuò)誤點(diǎn)。并以該點(diǎn)為中心在一定范圍內(nèi)與其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程進(jìn)行對(duì)比。若需要判斷的點(diǎn)的高程明顯低于目標(biāo)中心點(diǎn)的高程，則將其歸為低點(diǎn)。若遇到低點(diǎn)密度較大時(shí)使用單點(diǎn)分類會(huì)造成錯(cuò)誤，這時(shí)需要采用數(shù)據(jù)分類的方法來分離低點(diǎn)，其具體操作過程及參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 分離低點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置界面

(2)分離獨(dú)立點(diǎn)

所謂獨(dú)立點(diǎn)，是指在一定三維空間分布范圍內(nèi)分布比較稀疏的一些點(diǎn)，因此根據(jù)上述獨(dú)立點(diǎn)的分布原則建立獨(dú)立點(diǎn)的分離準(zhǔn)則，其具體步驟為:首先尋找以空間獨(dú)立點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，以此點(diǎn)位中心建立一定范圍的空間三維緩沖區(qū)，如果在該緩沖區(qū)內(nèi)的點(diǎn)數(shù)少于規(guī)定的點(diǎn)數(shù)閾值，則該點(diǎn)就為獨(dú)立點(diǎn)。

圖4 分離獨(dú)立點(diǎn)參數(shù)設(shè)置界面

(3)分離空中點(diǎn)

所謂空中點(diǎn)，顧名思義就是指其高程明顯高于數(shù)據(jù)點(diǎn)集周圍所有點(diǎn)高程均值的一些點(diǎn)。分離空中點(diǎn)的基本原則同上述獨(dú)立點(diǎn)的基本類似。首先設(shè)置需要判斷的某點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)為中心點(diǎn)，設(shè)定一個(gè)三維搜索半徑的緩沖區(qū)，包含在這個(gè)三維緩沖區(qū)內(nèi)的點(diǎn)看做是目標(biāo)點(diǎn)的鄰近點(diǎn)。將目標(biāo)點(diǎn)的高程與鄰近點(diǎn)高程均值大小做比較，同時(shí)做差計(jì)算，若其差值達(dá)到高程標(biāo)準(zhǔn)偏差規(guī)定的倍數(shù)，就將其歸類為空中點(diǎn)。

圖5 分離空中點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

(4)分離植被點(diǎn)

在TerraScan中將植被信息根據(jù)高程值可將植被點(diǎn)歸為三類:Low vegetation、Medium vegetation、High vegetation，其中Low vegetation高程值在 0.5 m～2 m之間，Medium vegetation在 2 m～5 m之間，High vegetation＞5 m。

分離植被點(diǎn)時(shí)，以從地面起的高度為準(zhǔn)，先從地面以上的點(diǎn)分離出低的植被點(diǎn)，其基本的思想是首先在地面點(diǎn)建立臨時(shí)的三角形模型，然后這個(gè)三角形模型的高程值與區(qū)域中的其他點(diǎn)高度比較，如果低于0.5 m，就認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)屬于低矮植被進(jìn)行分離。然后根據(jù)相同的算法，從余下的點(diǎn)中分離出中等高度的植被點(diǎn)，最后分離出高植被點(diǎn)。

圖6 TerraScan植被信息的提取操作界面

(5)分離建筑物點(diǎn)

分離出的中、高植被中包含有建筑物點(diǎn)，因此從高植被點(diǎn)中分離出建筑物點(diǎn)。建筑物信息的提取應(yīng)遵循的原則是建筑物上的點(diǎn)能形成一個(gè)平面。因此首先要完成地面點(diǎn)的分類，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行建筑物分類。

圖7 建筑物分離操作界面

(6)地面點(diǎn)集的獲取

建立地表初始不規(guī)則TIN網(wǎng)模型并通過不斷的迭代計(jì)算來分類地面點(diǎn)。通過選擇最大建筑物尺寸參數(shù)來確定初始點(diǎn)的選取。如一個(gè)建筑物的最大尺寸是50 m，那么在 50 m×50 m的區(qū)域內(nèi)最少有一個(gè)地面點(diǎn)存在，認(rèn)為其中的最低點(diǎn)就是地面點(diǎn)。

圖8 提取地面點(diǎn)集操作界面

首先用已經(jīng)選擇好的最低點(diǎn)作為初始地面點(diǎn)建立不規(guī)則TIN網(wǎng)模型。然后通過迭代計(jì)算、不停地加入新激光點(diǎn)來擬合初始的地面模型。通過不斷地選擇一些可以接受的新點(diǎn)到地面模型中的重復(fù)參數(shù)來更新地面模型使得模型更接近地表一些，最終得到一個(gè)近似地面模型。

(7)提取Model key points

Model key points是提取DEM所用的點(diǎn)，為后面提取DEM方便，在分離Model key points的同時(shí)，要將點(diǎn)輸出，選擇 macro step－action－output points，設(shè)置選擇保存Model key points的文件路徑，并設(shè)置好提取建立DEM關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行提取輸出。

圖9 Model key points的提取與文件輸出

提取Model key points是在已經(jīng)獲取了地面點(diǎn)集的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，根據(jù)精度要求建立地面TIN網(wǎng)。地面TIN網(wǎng)模型精度受到參數(shù)Above Model和Below Model影響。前者是確定激光高程超過模型的高度閾值，后者是確定激光高程能低于模型的高度閾值。建立初始的地面TIN網(wǎng)后，通過不斷迭代尋找Model key points直至滿足要求為止。最后根據(jù)分類數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果進(jìn)行濾波處理，過濾掉數(shù)據(jù)點(diǎn)集中的非地面點(diǎn)，由地面點(diǎn)集中提取出來的Model Key Points進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，生成數(shù)字高程模型，即DEM。

圖10 TerraScan分類濾波后模型

3 結(jié)論

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)以其高效率、高采樣率、高精度、高密度、非接觸性、主動(dòng)性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，測(cè)量獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量會(huì)越來越龐大，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，本文以徠卡地面三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為對(duì)象，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理做了一些研究，得到了一系列結(jié)果，總結(jié)如下。

對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波處理，本文利用cyclone軟件結(jié)合TerraScan兩種軟件，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類濾波處理。TerraScan中提供的分類方法都是基于面的分類理論，即假設(shè)分類過程目標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算值與周邊一定范圍內(nèi)的點(diǎn)都有關(guān)系。這種假設(shè)比較適合實(shí)際點(diǎn)的分布情況，因?yàn)榭臻g點(diǎn)不是獨(dú)立存在的，與周邊點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)，從而揭示了空間點(diǎn)間結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，因此也取得了比較好的分類效果。

［1］高志國(guó)．地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理及建模研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010．

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