■吳培榮

（青海省第二測(cè)繪院　青海　西寧　810001）

地面三維激光掃描的數(shù)據(jù)分析和建模研究

■吳培榮

（青海省第二測(cè)繪院青海西寧810001）

本文分析了多視點(diǎn)云的拼接方法及三維激光掃描系統(tǒng)的誤差影響。采用了移動(dòng)窗口最小二乘曲面擬合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理，并著重探討了基于軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了的建模和地形數(shù)據(jù)的建模輸出。

三維激光掃描點(diǎn)云拼接數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)建模

三維激光掃描技術(shù)設(shè)備是科學(xué)技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的又一次新技術(shù)革新。但對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理還相對(duì)滯后，迫切需要可靠、快速、自動(dòng)化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，以滿足高精度的數(shù)據(jù)質(zhì)量和穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)處理能力要求。針對(duì)三維激光掃描技術(shù)所獲取的實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理等的發(fā)展還相對(duì)滯后，還沒(méi)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。地面三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于測(cè)繪技術(shù)行業(yè)，帶動(dòng)了測(cè)繪技術(shù)的全新發(fā)展。

1　多視點(diǎn)云的拼接

1.1拼接計(jì)算

地面三維激光掃描獲得的數(shù)據(jù)是目標(biāo)物體的三維點(diǎn)云，這與傳統(tǒng)攝影測(cè)量和遙感處理的數(shù)字圖像是不同的。由于數(shù)據(jù)處理中涉及到大量的鄰域信息需要進(jìn)行處理，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表達(dá)和空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直接影響著數(shù)據(jù)處理算法的可行性和效率。地面三維激光掃描儀通過(guò)發(fā)射和接收的激光束測(cè)量物體，并利用激光束中心點(diǎn)來(lái)定位，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即三維點(diǎn)云，并帶有強(qiáng)度信息和目標(biāo)物體的反射率信息。多視點(diǎn)云拼接是將兩個(gè)或兩個(gè)以上基于掃描儀坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下的過(guò)程。

1.2多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)其拼接方法

第一種通過(guò)在掃描儀掃描的視場(chǎng)內(nèi)配置測(cè)量標(biāo)靶或基于不同測(cè)站共用的測(cè)量公共控制點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法在掃描議采集數(shù)據(jù)過(guò)程中將標(biāo)靶或控制點(diǎn)擺放在掃描目標(biāo)區(qū)域?qū)ο蟮膬?nèi)部或周圍，并保證這些公共的標(biāo)靶在不同的掃描視場(chǎng)內(nèi)能夠同時(shí)掃描到。最后，在用內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將這些標(biāo)靶所處的不同測(cè)站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，通過(guò)坐標(biāo)變換計(jì)算出點(diǎn)云拼接的參數(shù)。第二種多視點(diǎn)云的拼接方法是基于具有一定重疊區(qū)域的特征點(diǎn)云的拼接，該方法首先是確定兩幅點(diǎn)云之間的重疊區(qū)域的同名點(diǎn)，并根據(jù)所確定的同名點(diǎn)來(lái)獲取多視點(diǎn)云拼接約束條件。

2　三維激光掃描數(shù)據(jù)濾波處理

2.1地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

基本任務(wù)是將由激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪聲點(diǎn)、濾波、分類、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)建模等工作，得到數(shù)字地面模型簡(jiǎn)稱。是數(shù)字表面模型的一個(gè)子集。根據(jù)地學(xué)原理點(diǎn)云濾波算法主要依據(jù)有以下兩點(diǎn)一是地形曲面的變化具有非間斷的連續(xù)性特征，激光點(diǎn)的高程突變一般發(fā)生在地面與非地面的過(guò)渡處，陡坎地形引起的高程突變方向單一二是地物的面積有限，一般地物平均高度隨面積的變化而成正比變化。

2.2基于坡度理論的點(diǎn)云濾波方法

基于地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)之間的地形坡度與地面點(diǎn)之間的地形坡度有一定的差別。由此，可以用地形坡度變化關(guān)系來(lái)區(qū)分地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。假設(shè)對(duì)于點(diǎn)印，在給定的一個(gè)半徑的圓域中，若該點(diǎn)與區(qū)域中任何一點(diǎn)之間的坡度的最大值均小于給定的閉值，則被認(rèn)為該點(diǎn)印是地面點(diǎn)，反之，則是非地面點(diǎn)。

2.3基于最小區(qū)域理論的點(diǎn)云濾波方法

該算法是直接基于離散的激光腳點(diǎn)進(jìn)行濾波，突破了傳統(tǒng)內(nèi)插方法的局限性。該算法首先假設(shè)地表為一復(fù)雜的空間曲面，利用一個(gè)二次曲面去擬合該空間曲面在其局部的面元，當(dāng)滿足局部面元一定條件時(shí)，可以將其看做是一個(gè)平面。根據(jù)平面坐標(biāo)方程計(jì)算區(qū)域內(nèi)臨近的點(diǎn)，計(jì)算出各點(diǎn)的擬合高程，將該點(diǎn)的擬合高程與觀測(cè)高程做差，若其值大于給定的閥值，就認(rèn)為該點(diǎn)不是地面點(diǎn)進(jìn)而可以過(guò)濾掉若其值小于給定的閥值，就認(rèn)為該點(diǎn)是地面點(diǎn)。當(dāng)擬合點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)如達(dá)到，保持點(diǎn)數(shù)不變，在區(qū)域內(nèi)新增一個(gè)地面點(diǎn)，用新點(diǎn)重復(fù)上述操作直到結(jié)束。該算法具有運(yùn)算速度快、不需重采樣、不需事先剔除粗差、保證數(shù)據(jù)精度等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是閥值的選取要進(jìn)行大量人工實(shí)驗(yàn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)要有一定的密度、地面邀連續(xù)等。

3　數(shù)據(jù)處理及數(shù)字高程模型的建立

3.1地面三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取

地面三維激光掃描系統(tǒng)是一種集成了多種高新技術(shù)和傳感器的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段的系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一系列處理獲取目標(biāo)表面立體模型，經(jīng)過(guò)軟件處理實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模輸出。本論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是用萊卡地面三維激光掃描儀采集的黃河小浪底水利樞紐工程地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中存在一定的誤差，拼接過(guò)程中誤差與理論誤差相比較大，達(dá)到2.3cm。

3.2地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理

由于不同軟件間數(shù)據(jù)格式不同，因此對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將讀取的原始的地面三維激光掃描以的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。跟據(jù)建立DEM的要求，把要生成數(shù)據(jù)高程模型首先要從分離出來(lái)的地面點(diǎn)中把建立的關(guān)鍵點(diǎn)即從地面點(diǎn)中提取出來(lái)。將提取出來(lái)的輸出為卿格式的數(shù)據(jù)文件，其文件后綴為文件，即使用軟件模塊讀取的工程文件，讀取文件后巨可在模塊中進(jìn)行建模操作，完成建模后與最初的原始數(shù)據(jù)模型對(duì)比進(jìn)行分析對(duì)比。原始數(shù)據(jù)中存在大量的非地面點(diǎn)，大部分點(diǎn)為高于地面的樹(shù)木和雜草等，對(duì)構(gòu)建數(shù)字高程模型精度有很大的影響，因此在建立數(shù)字高程模型前必須要對(duì)這些影響精度的因素過(guò)濾掉。因此在點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類的時(shí)候，分類參數(shù)的選擇也是非常關(guān)鍵的，直接影響到濾波效果的好壞，同時(shí)也直接影響到數(shù)字高程模型的建立精度等。

3.3數(shù)字高程模型的建立

本文采用基于等高線分布采樣點(diǎn)的方式建立模型?；诘雀呔€分布采樣點(diǎn)，在建立是應(yīng)顧及等高線特性。實(shí)際應(yīng)用中等高線內(nèi)插通常使用兩種方法一是沿預(yù)定軸方向的等高線直接內(nèi)插。通過(guò)計(jì)算確定預(yù)定軸與相鄰等高線的交點(diǎn)，然后利用這些交點(diǎn)采用一系列的插值方法來(lái)生成規(guī)則格網(wǎng)數(shù)字高程模型。

4　結(jié)論

綜上所述，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)于測(cè)繪學(xué)科來(lái)講，帶來(lái)了前所未有的發(fā)展，開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，拓展了測(cè)繪科學(xué)的研究和應(yīng)用。地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展還亞待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用。

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[3]李樹(shù)楷，薛永棋.高效三維遙感集成技術(shù)系統(tǒng) [M]北京科學(xué)出版社，2009

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-166-1