謝宏全，厲　堃，周　立，盧　霞

(1. 淮海工學(xué)院測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005;2. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

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平坦區(qū)域等密度激光點云數(shù)據(jù)獲取方法

謝宏全1,2，厲堃1，周立1，盧霞1,2

(1. 淮海工學(xué)院測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005;2. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

基于激光點云分布原理，通過試驗確定合理的分區(qū)掃描方法。利用徠卡C10掃描儀以單站方式進行整體和分區(qū)掃描對比試驗，針對條帶狀區(qū)域和矩形區(qū)域分別采用多站扇形分區(qū)和多站環(huán)形分區(qū)掃描方式獲取激光點云數(shù)據(jù)，并對激光點云數(shù)據(jù)進行處理與分析。研究結(jié)果表明：在平坦區(qū)域分區(qū)掃描方法可以獲得等密度激光點云數(shù)據(jù)，具有掃描時間較短、文件字節(jié)數(shù)較小的優(yōu)勢，分區(qū)掃描方法具有較好的應(yīng)用前景。

平坦區(qū)域；等密度；點云數(shù)據(jù)；分區(qū)掃描；掃描半徑

三維激光掃描儀在對平坦地形進行掃描時存在點云數(shù)據(jù)嚴重不均勻的問題，點云密度隨掃描距離的增大而增大，從而導(dǎo)致冗余數(shù)據(jù)繁多，掃描時間過長等問題[1-5]。近年來國內(nèi)一些學(xué)者進行了相關(guān)研究，主要成果有：歐斌[6]研究了三維激光掃描技術(shù)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法，指出了每種方法的優(yōu)缺點及其應(yīng)用范圍；劉舜等[7]闡述了點云密度不均勻?qū)е陆⒌哪Ｐ筒荒軠蚀_地反映實體的形態(tài)變化；劉會云等[8]在深入分析三維激光掃描儀工作原理的基礎(chǔ)上提出分區(qū)掃描方法。本文采用徠卡C10掃描儀通過試驗確定合理的分區(qū)掃描方法，針對條帶狀和矩形區(qū)域分別進行掃描試驗，對獲取的激光點云數(shù)據(jù)進行了詳細分析。

一、分區(qū)掃描方法原理

1. 激光點云分布原理

當?shù)孛嫒S激光掃描儀工作時，在儀器高度H一定的情況下，同一條豎直掃描線內(nèi)，隨著掃描垂直角度α的增加，掃描半徑R逐漸增大，點云間距在逐漸增大，如圖1所示,根據(jù)三角形幾何原理可知掃描半徑R=H·cotα。假設(shè)儀器高為1.6 m，根據(jù)公式可計算出不同掃描半徑所對應(yīng)的掃描垂直角度，見表1。

整體掃描會導(dǎo)致點云密度的不均勻，數(shù)據(jù)點分布示意圖見文獻[8]。激光點云越靠近儀器，點云的密度越大，隨著掃描半徑的增加，掃描點密度逐漸減小，在邊緣區(qū)域變得非常稀疏，三維激光掃描儀對平坦區(qū)域測量時點云數(shù)據(jù)分布非常不均勻，這是整體掃描方法存在的主要問題。

圖1　掃描半徑與掃描角度關(guān)系

掃描半徑/m1．6520355070垂直角度/(°)-45-17．94-4．57-2．62-1．83-1．31

2. 掃描半徑確定

本次研究采用徠卡C10三維激光掃描儀對平坦區(qū)域進行試驗，根據(jù)分區(qū)掃描的原理，需對各環(huán)分辨率進行合理設(shè)置，即設(shè)置不同掃描半徑下的水平間距和豎直間距[9]，水平間距根據(jù)需求選取。由于本次試驗針對平坦區(qū)域進行試驗研究，獲取的點云數(shù)據(jù)在同一平面內(nèi)，因此儀器設(shè)置的豎直間距可由其在地面上的投影計算得到

l=d·tanα

式中，l為儀器參數(shù)中的豎直間距；d為地面上的豎直間距；α為垂直角度。

分區(qū)環(huán)數(shù)與掃描半徑的設(shè)置既要滿足點云密度均勻分布又要減少掃描時間，因此要對分區(qū)環(huán)數(shù)及掃描半徑進行合理設(shè)置。根據(jù)相似性原理可知：掃描半徑與點云密度成正比，通過試驗進一步驗證，設(shè)置最大掃描半徑為50 m，水平間距為5 cm。在點云數(shù)據(jù)圖上觀察水平間距為3 cm時恰好在30 m邊界處，因此掃描半徑的選取可根據(jù)需求的點云間距進行設(shè)定。通過試驗得知將各環(huán)邊緣點云間距比設(shè)置在60%，分區(qū)環(huán)數(shù)在4～5環(huán)，可以將效率最大化，如圖2所示。以此類推設(shè)定掃描半徑，可以將密度穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)。

二、單站分區(qū)掃描試驗研究

1. 試驗方案設(shè)計

選擇學(xué)校訓(xùn)練場作為試驗場地，經(jīng)掃描試驗分析，人造草坪對于激光的反射率良好，不影響本次試驗研究。對學(xué)校訓(xùn)練場分別進行整體掃描與分區(qū)掃描試驗[10]，整體掃描以50 m為掃描半徑，儀器高1.6 m進行掃描，分區(qū)掃描設(shè)置為5個環(huán)帶，掃描半徑分別為50 m、30 m、18 m、10 m及3 m，并通過計算得出儀器設(shè)置相關(guān)參數(shù)(見表2)。

2. 野外點云數(shù)據(jù)獲取

在學(xué)校訓(xùn)練場中心位置架設(shè)掃描儀，視場設(shè)置頂部-1.83°，底部-45°，左右分別為0和360°。自定義分辨率設(shè)置距離為50 m，水平間距為0.05 m，豎直間距為0.002 m。設(shè)置完成后，開始掃描，開始約10 s后儀器會顯示掃描進度(記錄掃描時間)，掃描結(jié)束可以初步查看圖像質(zhì)量。

分區(qū)掃描以30～50 m環(huán)帶為例，視場設(shè)置為頂部-1.83°，底部-3.06°，左右分別為0和360°。自定義分辨率設(shè)置距離為50 m，水平間距為0.05 m，豎直間距為0.002 m。設(shè)置完成，點擊掃描，記錄掃描時間，查看圖像質(zhì)量。同上述操作，對分區(qū)其余4環(huán)進行掃描。

3. 點云數(shù)據(jù)處理與分析

將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone8.0，直接查看結(jié)果，分區(qū)掃描點云分布如圖3所示[11]。由圖3可以明顯看出環(huán)帶的分布，各環(huán)帶半徑與設(shè)定一致，且點云分布也較為均勻。

圖3　分區(qū)掃描點云圖

根據(jù)整體掃描與分區(qū)掃描兩組試驗對比，利用Cyclone8.0軟件對點云進行處理[12-13]，提取相關(guān)指標數(shù)據(jù)信息，整體掃描結(jié)果見表3，分區(qū)掃描結(jié)果見表4。

表3　整體掃描結(jié)果統(tǒng)計

在表3和表4中，實際點數(shù)可以由Cyclone8.0軟件直接得到。環(huán)帶面積為外圓面積與內(nèi)圓面積的差值。邊緣點水平(豎直)間距可通過Cyclone8.0軟件對各環(huán)帶進行量取，隨機選取5對點云取平均值。平均點密度為實際點數(shù)/環(huán)帶面積。掃描時間在儀器掃描時根據(jù)儀器進度顯示進行記錄獲取。

表4　分區(qū)掃描結(jié)果統(tǒng)計表

由表3和表4對比分析得出如下結(jié)論：

1) 整體掃描點間距相差較大，水平間距大約在0.2～5 cm之間，豎直間距大約在0.1～5 cm之間；分區(qū)掃描環(huán)帶內(nèi)水平間距大約在3～5 cm之間，豎直間距大約在2～5 cm之間。因此，分區(qū)掃描優(yōu)于整體掃描。

2) 整體掃描平均點云密度過大，約為14 070個；分區(qū)掃描各環(huán)帶內(nèi)點云密度相差較小，相對較為均勻，總平均密度約為752個。整體掃描平均密度約為分區(qū)掃描平均密度的20倍。

3) 整體掃描用時90 min，分區(qū)掃描用時約為30 min(包括每一站參數(shù)設(shè)置操作時間在內(nèi))。整體掃描所用時間約是分區(qū)掃描所用時間的3倍，分區(qū)掃描大大節(jié)約了掃描時間，提高了工作效率。

4) 整體掃描的文件字節(jié)數(shù)為2.20 GB，分區(qū)掃描的文件字節(jié)數(shù)為104 MB。分區(qū)掃描的文件大小遠小于整體掃描的文件大小，方便了文件操作，并節(jié)約了文件存儲空間。

三、多站掃描試驗研究

為驗證分區(qū)掃描測量方法在大面積平坦區(qū)域中技術(shù)應(yīng)用的可行性[14-15]，針對條帶狀與矩形區(qū)域進行多站掃描試驗，試驗采取扇形分區(qū)與環(huán)形分區(qū)兩種分區(qū)方法，并分別采用不同的拼接方法。

1. 扇形分區(qū)掃描

對平坦道路進行扇形分區(qū)掃描，場地采取標靶拼接的方式進行測量，道路寬10 m，測3站，每個測站掃兩個環(huán)，兩個環(huán)的掃描半徑分別為30 m和18 m。每個測站之間距離20 m，如圖4所示。

圖4　扇形分區(qū)原理

將掃描儀安置在道路中間的1號點位置，掃描兩個環(huán)帶，分別為10～18 m及18～30 m，根據(jù)計算得到相應(yīng)垂直角度進行視場設(shè)置，自定義分辨率設(shè)置為水平間距5 cm，豎直間距分別為0.3 cm及0.5 cm，通過窗掃描確定左右邊界，進行掃描，掃描完兩環(huán)后對標靶進行掃描，然后遷至下一站，按相同步驟進行測量。將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone8.0軟件進行數(shù)據(jù)拼接，自動拼接后點云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　道路掃描后點云圖像

2. 環(huán)形分區(qū)掃描

對學(xué)?；@球場進行環(huán)形分區(qū)掃描試驗研究，采取全站儀模式獲取點云數(shù)據(jù)[16]?；@球場全長104 m寬82 m，將籃球場劃分為4塊區(qū)域，采用假定坐標系，共設(shè)計4個圓形掃描區(qū)域進行覆蓋，共4站，每站掃描4個環(huán)，參數(shù)設(shè)置見表5，方案設(shè)計如圖6所示。

表5　儀器掃描設(shè)置參數(shù)

根據(jù)設(shè)計利用皮尺確定臨時點位置并做記號，將掃描儀架設(shè)到1號點位置進行對中整平，以a點為后視點，假設(shè)1號點坐標和1a方向的方位角，設(shè)置2號點為前視點，掃描2號點處標靶，點擊計算得到2號點坐標，然后按照單站分區(qū)掃描的方式掃描4個環(huán)帶，掃描結(jié)束遷站至2號點，以1號點為后視點，3號點為前視點。同上述操作，在3號與4號點進行掃描。外業(yè)掃描結(jié)束后將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone8.0軟件，自動拼接后點云數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6　籃球場掃描方案設(shè)計圖

圖7　籃球場掃描后點云圖像

3. 結(jié)果分析

1) 通過兩組試驗得出，合理的方案設(shè)計可以將分區(qū)掃描應(yīng)用于多站地形測量中，且有較高的利用率。

2) 從拼接結(jié)果與約束條件來看，分區(qū)掃描單站多次掃描的方式并不影響圖像的質(zhì)量。

3) 從整體影像及各環(huán)邊緣的點云分布來看，多站分區(qū)掃描既保證了點云密度的均一性，又大幅度縮短了掃描時間，相對整體掃描而言，大大提高了工作效率。

四、結(jié)束語

1) 分區(qū)掃描的測量方式可以獲得等密度的點云數(shù)據(jù)，可以有效地解決整體掃描帶來的點云分布雜亂不均勻的問題。

2) 分區(qū)掃描相對于整體掃描而言，大幅度減少了文件字節(jié)，節(jié)約了掃描時間，提高了工作效率。通過合理的內(nèi)業(yè)計算，可以減少大量的人力物力及外業(yè)工作時間。

3) 分區(qū)掃描在大面積地形測量中也可以得到有效的應(yīng)用，合理利用扇形分區(qū)和扇形分區(qū)方式不會影像點云圖像，同時又可以將分區(qū)掃描的優(yōu)勢充分發(fā)揮，達到均勻點云密度、減少冗余數(shù)據(jù)從而提高工作效率的目的。

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Obtaining Method of Equivalent Density Data of Laser Point Cloud in the Flat Area

XIE Hongquan, LI Kun,ZHOU Li, LU Xia

謝宏全，厲堃，周立，等.平坦區(qū)域等密度激光點云數(shù)據(jù)獲取方法[J].測繪通報，2016(10)：69-72.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0332.

2016-05-27；

2016-09-11

海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(2014B09)；國家自然科學(xué)基金(41506106)；江蘇省海洋科學(xué)技術(shù)優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)項目(2014137)

謝宏全(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為地面三維激光掃描技術(shù)與應(yīng)用。E-mail：xiehongquan@163.com

P234.4

B

0494-0911(2016)10-0069-04