高紹偉，薄志毅，王曉龍

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042； 2. 北京建筑大學(xué)，北京 100044)

一、前 言

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)，又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物的空間三維形態(tài)，對(duì)掃描物體表面無需進(jìn)行任何處理，真正實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量，國內(nèi)外的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛[1-2]。

大比例尺地形測(cè)量從起初的圖解法平板測(cè)圖發(fā)展到解析法數(shù)字化測(cè)圖等方法。隨著三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為快速建立被測(cè)物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段[3]。

然而在掃描過程中，當(dāng)有障礙物存在時(shí)，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為障礙物上的信息，而被障礙物遮擋部分的數(shù)據(jù)無法獲取，進(jìn)而無法獲取地形地物有用的信息。另外，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)地形測(cè)量應(yīng)用的研究，因點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，文獻(xiàn)[4] 所提出的數(shù)據(jù)粗差剔除算法，本文認(rèn)為其計(jì)算工作量是相當(dāng)?shù)?。截至目前還沒有一套完整成熟的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的地形圖測(cè)繪軟件。本文在分析激光三維掃描原理的基礎(chǔ)上，在探討激光三維掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)[5-6]，通過實(shí)地考查，選擇了一塊具有山地地貌特征和有一定代表性地物的場(chǎng)地進(jìn)行掃描試驗(yàn)，并結(jié)合徠卡HDS4400自帶的I-site studio、Cyclone、CASS7等軟件繪制地形圖，給出了一些參考建議，試圖為大比例尺數(shù)字化測(cè)圖提供一種新的方法。

二、三維激光掃描的原理

地面激光掃描儀主要由激光測(cè)距儀、垂直角度傳感器、水平角度傳感器、垂直方向的步進(jìn)電機(jī)、水平方向的步進(jìn)電機(jī)、傾斜補(bǔ)償器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等組成。圖1為地面激光掃描儀的掃描原理圖。

地面激光掃描儀的激光測(cè)距儀發(fā)射一束強(qiáng)度足夠的激光束到被測(cè)的物體上，經(jīng)過被測(cè)物體表面反射后，激光測(cè)距儀獲得儀器到投射點(diǎn)之間的距離，在記錄距離值的同時(shí)，儀器也記錄由角度編碼器獲取的水平角度和垂直角度。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)儀器的上部和激光束轉(zhuǎn)向鏡分別繞垂直軸和水平軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光束在地面激光掃描儀的掃描范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到對(duì)被測(cè)物體不同位置掃描的目的。

在地面激光掃描儀中，測(cè)距激光束是繞兩個(gè)相互垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)構(gòu)成儀器局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)O；當(dāng)測(cè)距激光束沿水平軸(又稱為第一旋轉(zhuǎn)軸)旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)距激光束能夠掃描出一個(gè)垂直扇面，該旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了地面激光掃描儀局部坐標(biāo)系的Y軸；第二旋轉(zhuǎn)軸在理想情況下與第一旋轉(zhuǎn)軸垂直，構(gòu)成了地面激光掃描儀坐標(biāo)系的Z軸，一般情況下，Z軸處于鉛垂位置(又稱為垂直軸)；依據(jù)右手坐標(biāo)系的構(gòu)建原則，與地面激光掃描儀Y軸及Z軸垂直的為X軸，如圖1所示。在地面激光掃描儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，儀器只能測(cè)量出坐標(biāo)原點(diǎn)O到被測(cè)物體反射面P之間的距離D、垂直角θ、水平角φ及回光信號(hào)的強(qiáng)度，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成地面激光掃描儀局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即有

(1)

從式(1)可以看出，要測(cè)量被測(cè)物體的空間坐標(biāo)(x，y，z)，必須首先測(cè)量距離D、垂直角θ和水平角φ。由于地面激光掃描儀的距離測(cè)量完全依靠被測(cè)物體反射回來的測(cè)距信號(hào)，若僅從測(cè)量原理上講，地面激光掃描儀與傳統(tǒng)的免棱鏡全站儀是一樣的[7]。

圖1 地面激光掃描儀的掃描原理

三、利用激光三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖

基于三維激光掃描技術(shù)繪制地形圖的主要作業(yè)流程包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、點(diǎn)云的識(shí)別、邊緣信息的檢測(cè)、去噪、地物的提取與繪制、非地貌數(shù)據(jù)的剔除、等高線的生成、地物與地貌的疊加編輯等。

1. 數(shù)據(jù)采集

選取的試驗(yàn)場(chǎng)地北面是帶有一定坡度的山地，在山腳下，有一段未加固的陡坎。南面是橫跨東西的公路，路上有明顯的照明線桿，西北路面有一段加固的陡坎。本文首先根據(jù)地形及掃描的對(duì)象，利用GPS RTK技術(shù)實(shí)測(cè)了兩個(gè)GPS控制點(diǎn)。然后，分別在每一個(gè)控制點(diǎn)上架設(shè)HDS4400三維激光掃描儀，用數(shù)據(jù)連接線將工業(yè)電腦連接到掃描儀上，對(duì)中，整平，并量取儀器高。在HDS4400三維激光掃描儀的工業(yè)電腦操作屏幕上，根據(jù)提示分別輸入測(cè)站點(diǎn)名、測(cè)站坐標(biāo)、儀器高、后視點(diǎn)點(diǎn)名和坐標(biāo)。利用儀器的照準(zhǔn)功能，通過儀器遙控鍵使望遠(yuǎn)鏡十字絲照準(zhǔn)后視的標(biāo)志。首先進(jìn)行預(yù)掃，然后根據(jù)地形框選，最后選用近距離、高精度的掃描方式進(jìn)行采集。兩站外業(yè)掃描結(jié)束后，利用I-site studio軟件對(duì)掃描的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入和導(dǎo)出，導(dǎo)出名為custom.txt的文件。

2. 地貌特征點(diǎn)的提取

將I-site studio導(dǎo)出的custom.txt文件，利用Cyclone軟件分別建立數(shù)據(jù)庫、模型空間和數(shù)據(jù)的預(yù)處理，模型簡(jiǎn)化(去噪)后的點(diǎn)云圖如圖2所示。

圖2 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置采樣間距，重新采樣，設(shè)置采樣間隔為0.001 m，創(chuàng)建TIN-Mesh模型，如圖3所示。

圖3 TIN-Mesh模型

從TIN模型圖可以看出，有許多的“尖狀物”，結(jié)合地形分析可知這是由于樹木遮擋所造成的反射引起的。為此，在選擇地貌的高程點(diǎn)時(shí)，應(yīng)刪除這部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)。若在點(diǎn)云圖上用手工方法剔除這些非地貌數(shù)據(jù)，工作量比較大，而且很難保證徹底刪除。在隨后TIN模型上生成等高線時(shí)，這些未徹底刪除的“尖狀物”非地貌數(shù)據(jù)將參與繪制等高線的過程，從而使地貌失去現(xiàn)勢(shì)性，生成的等高線很不規(guī)則且雜亂，后期修剪工作將很繁瑣。本文提出一種在形成的點(diǎn)云圖和TIN模型上，結(jié)合地物和地貌的特點(diǎn)，直接利用軟件按一定的間隔提取高程特征點(diǎn)的坐標(biāo)，繪制陡坎和地物，并對(duì)其標(biāo)注，即在點(diǎn)云圖和TIN模型上采用人工采集數(shù)據(jù)的方法。

在TIN模型上，利用平移、縮放和不同角度的旋轉(zhuǎn)等功能，根據(jù)地形選取等高程特征點(diǎn)位置，如圖4所示。而對(duì)陡坎的選擇，同樣利用平移、縮放和不同角度的旋轉(zhuǎn)等功能在TIN模型上畫線，并對(duì)陡坎第一點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)注，如圖5中的K1、K2等所示。

圖4 TIN 模型上選取的高程點(diǎn)

圖5 TIN模型上選取的陡坎

3. 地物特征點(diǎn)的提取

地物信息包括點(diǎn)狀物、線狀物和面狀物3類。對(duì)于點(diǎn)狀物(如路燈等)，利用平移和旋轉(zhuǎn)等功能直接在點(diǎn)云圖上作標(biāo)記。而對(duì)于線狀和面狀地物，同樣在點(diǎn)云圖上結(jié)合點(diǎn)云的顏色和反射率，畫線并作標(biāo)記符號(hào)。如圖6中L1、L2為路邊，D1、D2等為路燈。

最后將提取的高程點(diǎn)和獨(dú)立地物標(biāo)記點(diǎn)，利用軟件導(dǎo)出為TXT格式文件；對(duì)陡坎、線狀和面狀地物畫線的內(nèi)容導(dǎo)出為AutoCAD DXF格式文件。

圖6 選取的路邊和線桿

4. CASS繪制地形圖

CASS地形地藉成圖軟件是基于AutoCAD平臺(tái)技術(shù)的數(shù)字化測(cè)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于地形成圖、地藉成圖、工程測(cè)量應(yīng)用三大領(lǐng)域。將導(dǎo)出的TXT文件轉(zhuǎn)換成DAT文件，直接展繪。對(duì)于獨(dú)立地物，根據(jù)CASS的地物符號(hào)依據(jù)展點(diǎn)的位置繪制。將陡坎、線狀和面狀地物畫線的內(nèi)容導(dǎo)出的CAD格式文件，插入到繪制的地形圖中，根據(jù)線性的標(biāo)記識(shí)別不同的地物和地貌，并在原有線型的基礎(chǔ)上，利用不同的地物和地貌符號(hào)重新描繪，加以擬合。地貌生成等高線主要包括以下幾個(gè)流程：展高程點(diǎn)、根據(jù)測(cè)圖比例尺及數(shù)據(jù)量輸入相應(yīng)的注記高程點(diǎn)間距、建立DTM、修改三角網(wǎng)并存盤、繪制等高線和修改等高線。最終形成的地形圖如圖7所示。

圖7 結(jié)合CASS利用激光三維掃描數(shù)據(jù)繪制的地形圖

四、地形圖精度檢驗(yàn)

為了檢查提取的地形、地物點(diǎn)的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證點(diǎn)云圖和TIN 模型的正確性及繪制地形圖的質(zhì)量，對(duì)所繪制的地形圖進(jìn)行平面和高程精度的檢查。采用GPT-3002LN全站儀實(shí)地采集地形、地物點(diǎn)平面位置與高程。高程檢查點(diǎn)覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，其編號(hào)為G1—G10，共10個(gè)點(diǎn)；地物檢查點(diǎn)編號(hào)為D2—D9，共8個(gè)點(diǎn)，相鄰地物點(diǎn)的檢查共設(shè)置3處(如圖7所示)。高程點(diǎn)、地物點(diǎn)平面位置、相鄰地物點(diǎn)之間檢查具體統(tǒng)計(jì)分別見表1—表3。

《1∶500 1∶1000 1∶2000外業(yè)數(shù)字化測(cè)圖技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14912—2005)規(guī)定[8]：對(duì)于城鎮(zhèn)、工業(yè)建筑區(qū)、平地、丘陵地測(cè)圖，當(dāng)比例尺為1∶500時(shí)，基本等高距平地為0.5 m、丘陵和山地為1 m。地形圖上的地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和鄰近地物點(diǎn)點(diǎn)間的距離中誤差。點(diǎn)位中誤差不超過±0.25 m；相鄰地物點(diǎn)間距中誤差不超過±0.20 m；等高線的插求點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差，平地不應(yīng)大于基本等高距的1/3、 山地不應(yīng)大于基本等高距的1/2、高山地不應(yīng)大于基本等高距。

表1 高程精度檢查表 m

表2 地物點(diǎn)精度檢查表 m

表3 相鄰地物點(diǎn)精度檢查表 m

按照限差是測(cè)量中誤差2倍的原則，從表1—表3的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，其差值均未超出技術(shù)規(guī)程規(guī)定的要求；同時(shí)可以得出結(jié)論，利用三維激光掃描數(shù)據(jù)繪制的地形圖完全可以滿足1∶500外業(yè)數(shù)字化測(cè)圖的要求。

五、結(jié)束語

結(jié)合本文的試驗(yàn)對(duì)利用激光掃描數(shù)據(jù)繪制數(shù)字地形圖，總結(jié)如下：

1) 針對(duì)面積比較大且植被稀少，地形、地物較簡(jiǎn)單的區(qū)域進(jìn)行激光三維掃描的數(shù)據(jù)處理，因掃描的數(shù)據(jù)量大，考慮到計(jì)算機(jī)的性能，應(yīng)結(jié)合地形、地物的特點(diǎn)分區(qū)、分塊進(jìn)行，這樣有利于快速處理。

2) 在遮擋嚴(yán)重的地區(qū)，激光三維掃描儀無法采集真實(shí)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合全站儀進(jìn)行補(bǔ)充采集。

3) 對(duì)于地物自然陡坎的繪制，應(yīng)把點(diǎn)云圖和TIN 模型充分地結(jié)合起來，這樣才能夠準(zhǔn)確地區(qū)分出來。

4) 三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，急需開發(fā)數(shù)據(jù)后處理軟件，以解決遮擋所形成的噪聲數(shù)據(jù)的問題。

總之，地面三維激光掃描技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度、高密度的測(cè)量，并獲得三維空間信息，該技術(shù)具有掃描速度快、數(shù)據(jù)信息全面、精度高、過程簡(jiǎn)單、可以節(jié)約大量的人力與資源、提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)是對(duì)數(shù)字化測(cè)圖方法的又一次創(chuàng)新，隨著后處理軟件的進(jìn)一步完善，其應(yīng)用前景將會(huì)越來越廣闊。

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