徐 銳，羅天文

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

自世界上第一臺(tái)三維激光掃描儀開發(fā)問世到現(xiàn)在，已近有十多年的時(shí)間，隨著儀器制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各行各業(yè)的科研及工程人員的不斷實(shí)踐，三維激光掃描儀已經(jīng)非常先進(jìn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、采礦、工程建設(shè)、城市規(guī)劃、交通、文物等行業(yè)中[1-4]。在測(cè)繪工作中，三維激光掃描技術(shù)為地形測(cè)繪和地質(zhì)研究提供了一種新的工具和手段，是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量方法，可進(jìn)行大面積、高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集[5]，具有測(cè)量點(diǎn)位精度高、采集空間點(diǎn)的密度大、速度快等特點(diǎn)，使測(cè)繪從傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集方式變?yōu)楦呙芏?、連續(xù)、自動(dòng)獲取方式，增加了信息量，提高了工作效率，是繼空間定位技術(shù)(GPS)后的又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)革新。

但是，由于其工作原理是通過主動(dòng)發(fā)射激光，打到被測(cè)物體后接收反射回的激光形成三維點(diǎn)云[6]。從測(cè)繪工作者的角度上看，是一種可見即可得的工作原理，這使得三維激光掃描儀在有地物遮擋的情況之下，作用明顯降低。然而，貴州省地處西南地區(qū)，地表植被、農(nóng)作物覆蓋面廣，且水利水電項(xiàng)目都處于崇山峻嶺之中，這更加大了利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)繪的難度。同時(shí)，對(duì)于測(cè)繪工作者來說，要將三維點(diǎn)云的數(shù)據(jù)通過提取地物信息的方式來生產(chǎn)數(shù)字線畫圖(DLG)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量非常巨大，目前沒有一款很好的軟件能夠解決這一問題，這就造成了地面三維激光掃描技術(shù)在貴州省的水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)甚至其他行業(yè)中的應(yīng)用非常少，很多有設(shè)備的單位都是在西北、西藏等地表植被稀少的地方使用。由于該設(shè)備價(jià)格不菲，如果不能提供其內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率的話，很難在我國(guó)南方地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外一些儀器生產(chǎn)廠商配套的數(shù)據(jù)處理軟件中，自帶了簡(jiǎn)單的植被過濾和地物特征提取的功能[7]。從實(shí)踐工作中發(fā)現(xiàn)，這些功能還不能完成滿足貴州山區(qū)測(cè)繪精度的需要。例如，奧地利RIEGL公司RISCAN PRO軟件的地物特征提取的功能只適用于一些城市中規(guī)則建筑物輪廓線的自動(dòng)提取，對(duì)于貴州山區(qū)測(cè)繪項(xiàng)目中的地物，特別是對(duì)于一些不規(guī)則的地物就束手無策，例如土坎、地類界、山崖等。常規(guī)的做法都是內(nèi)業(yè)人員采用人工的方式在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)里面手動(dòng)提取，這是一項(xiàng)非常繁瑣的工作，并且由于三維空間二維空間的區(qū)別，在采集地物特征過程中，錯(cuò)誤率非常高，嚴(yán)重降低了測(cè)繪工作效率。

因此，本文的研究目的，是針對(duì)貴州省的特殊地形對(duì)三維激光掃描技術(shù)中的信息提取方法進(jìn)行研究，一旦解決了這個(gè)問題，三維激光掃描儀將在貴州乃至其他南方省份得到很好的推廣和運(yùn)用，具有很可觀的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 半自動(dòng)化地物提取

利用三維激光掃描儀進(jìn)行地形圖測(cè)繪，遇到的最大的阻力就是如何在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速高效的提取地物信息，這是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[8-10]，但是目前還沒一款專門針對(duì)測(cè)繪研制的三維激光點(diǎn)云軟件，因此，我們?cè)趯?shí)踐中做了很多實(shí)驗(yàn)，嘗試提高地物提取的工作效率，以下就是使用Riscan Pro軟件及Microstation V8i軟件通過人工干預(yù)的方式提取地物，例如房屋、土坎、河流、地類界、公路、電線等。所采用的技術(shù)路線如下。

(1)在存在Riscan Pro軟件狗的情況下，可以利用Riscan Pro軟件中提取地物，因?yàn)镽iscan Pro軟件中三維瀏覽、操作很容易，易取到地面點(diǎn)，就能利用這些節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)參與生成等高線。

在Riscan Pro提取地物時(shí)，要注意地物應(yīng)該分類命名，比如土坎命名為tukan，房屋命名為fangwu，獨(dú)立墳命名為fen等，同種地物統(tǒng)一命名，這樣可通過FME軟件將它們的屬性正確統(tǒng)一到南方CASS里面，不用再到南方CASS里面更改屬性，如圖1和圖2所示。

圖1 Riscan Pro中提取土坎

圖2 Riscan Pro中提取房屋

通過Riscan Pro軟件將提取的圖塊導(dǎo)出成dxf格式，打開可以看到這些多段線是三維多段線，可用利用FME編寫應(yīng)用程序(如圖3所示)實(shí)現(xiàn)將三維多段線中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為南方CASS的展點(diǎn)數(shù)據(jù)和二維多段線并且利用其地物名將其分配到南方CASS里正確的圖層。再把生成的坐標(biāo)數(shù)據(jù)展到圖中，生成成果如圖4所示。

圖4 利用FME實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取和分層后結(jié)果

(2)在無軟件狗的情況下，可利用Microstation V8i軟件提取地物，因?yàn)镸icrostation V8i軟件中三維瀏覽、操作點(diǎn)云不是太方便，有植被時(shí)不易取到地面點(diǎn)，這樣造成提取的地物上存在非地面點(diǎn)，故而不能利用這些節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)參與生等高線，圖5所示是在Microstation V8i中提取土坎。當(dāng)然，可以對(duì)原始點(diǎn)云適當(dāng)去除植被以后(設(shè)置參數(shù)可輕微去除植被而不會(huì)對(duì)坎上的特征點(diǎn)造成過濾)，再導(dǎo)入Microstation V8i里面提取地物這樣絕大部分也能取到地面點(diǎn)，并且這些地物上的節(jié)點(diǎn)可以選擇性的參與生線。

圖5 Microstation V8i里面提取地物圖

(3)Riscan Pro和Microstation V8i中不提供南方CASS里面的圖示，所以注意不同地物分層繪制，方便后期轉(zhuǎn)換。對(duì)于有方向的線狀地物(比如土坎)繪制時(shí)注意在各自軟件中的畫線方向，坎向應(yīng)該在畫線前進(jìn)方向左側(cè)，后期轉(zhuǎn)換在南方CASS里面就可不用改變坎向，直接賦予屬性及更改線型。

2 田坎自動(dòng)化提取

2.1 所采用的技術(shù)路線

由于在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中如何自動(dòng)化、高效地提取并編繪地物信息，目前的辦法不多。一些軟件中對(duì)地物特征提取和編繪的功能只適用于一些城市中規(guī)則建筑物輪廓線、道路的自動(dòng)提取等[11-13]，對(duì)于貴州山區(qū)測(cè)繪項(xiàng)目中的地物，特別是對(duì)于一些不規(guī)則形狀的地物就束手無策，例如土坎、地類界、山崖等。常規(guī)的做法都是內(nèi)業(yè)人員采用人工的方式在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)里面手動(dòng)提取和編繪，這是一項(xiàng)非常繁瑣的工作，并且由于三維空間二維空間的區(qū)別，在采集地物特征過程中，錯(cuò)誤率非常高，嚴(yán)重降低了測(cè)繪工作效率。

在貴州山區(qū)的地物中，尤以梯田、土坎特別多見，利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)圖時(shí)，要花大量的時(shí)間來提取坎的特征線。而這些高坎較其他不規(guī)則地物又有一定的規(guī)律可循，例如，田坎的高程會(huì)有突變，且田坎呈一定的形狀、密度進(jìn)行分布等特征。目前，國(guó)內(nèi)外還沒有一種專門針對(duì)山區(qū)田坎、土坎自動(dòng)提取與編繪的方法。

為了能夠在三維點(diǎn)云中自動(dòng)編繪田坎邊界，針對(duì)山區(qū)田坎的基本特征，利用一種新的基于概率論的三維空間聚類算法，提出了一種在三維點(diǎn)云中自動(dòng)編繪山區(qū)田坎的方法，如圖6所示。

圖6 田坎自動(dòng)提取算法流程圖

該方法具體技術(shù)方案如下：①獲取山區(qū)野外點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；②以Delaunay三角網(wǎng)邊長(zhǎng)和頂點(diǎn)高程作為約束條件，利用基于概率論的三維空間聚類方法，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚類；③判斷點(diǎn)云簇類型，區(qū)分田坎和田??；④將坎頂點(diǎn)連接成線，按照一定的規(guī)則進(jìn)行擬合；⑤賦予田坎或田埂符號(hào)并輸出。

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理具體包括以下步驟：①點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接;②通過現(xiàn)場(chǎng)布置發(fā)射片的方式，賦予點(diǎn)云三維坐標(biāo)信息；③去除地表植被和噪點(diǎn)；④對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照一定密度過濾；⑤將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DNG格式。

(2)空間聚類。利用基于概率論的三維空間聚類方法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚類的步驟，具體包括：①對(duì)所有點(diǎn)云Pi進(jìn)行檢索，比較Pi與其一階臨近點(diǎn)PN之間的高程之差ΔHi，如果高程之差滿足以下條件：ΔHi>Ht；ΔHi有正有負(fù)；兩點(diǎn)之間邊長(zhǎng)臨近正態(tài)分布平均邊長(zhǎng)，則判定此點(diǎn)為坎中點(diǎn)。其中Ht表示山區(qū)田坎最低高差；②刪除所有坎中點(diǎn)，將剩余點(diǎn)云構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)；③求出三角網(wǎng)的正態(tài)分布平均邊長(zhǎng)ND_Mean_Distance；④根據(jù)正態(tài)分布平均邊長(zhǎng)準(zhǔn)則從三角網(wǎng)中刪除長(zhǎng)邊；⑤比較被刪除長(zhǎng)邊的相鄰兩頂點(diǎn)的高程，將高程大的點(diǎn)判斷為田坎頂點(diǎn)，將高程小的點(diǎn)判斷為田坎底點(diǎn)。

(3)判斷點(diǎn)云簇類型。判斷點(diǎn)云簇類型，區(qū)分田坎和田埂，具體步驟包括：①對(duì)三角網(wǎng)中的點(diǎn)云Pi進(jìn)行檢索，比較Pi與其周邊點(diǎn)PN之間的高程之差Hi，如果Hi都為正，判定此點(diǎn)為坎頂點(diǎn)；②根據(jù)坎頂點(diǎn)和坎底點(diǎn)的高差將高差在(Ht～25 cm)之間判斷為田埂，其他判斷為田坎。

(4)擬合田坎線。上述方案中所述的將坎頂點(diǎn)連接成線，按照一定的規(guī)則進(jìn)行擬合，具體步驟包括：①將各自的坎頂點(diǎn)連接成線；②根據(jù)最小二乘原理進(jìn)行擬合。

(5)賦予符號(hào)并輸出。上述方案中所述的對(duì)擬合后的田坎線賦予符號(hào)，并輸出，具體步驟包括：①對(duì)田坎和田埂分布賦予符號(hào)，根據(jù)田坎的坎頂點(diǎn)和坎底點(diǎn)，判斷田坎符號(hào)方向；②輸出。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該方法的可行性，開發(fā)了一套三維點(diǎn)云自動(dòng)提取地物信息的軟件，該軟件的開發(fā)語言及環(huán)境為：C語言，VS2010，las開源數(shù)據(jù)庫(kù)，F(xiàn)ME2015等。圖7～圖10是各種地形的試驗(yàn)結(jié)果,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上來看，這種方法對(duì)山區(qū)田坎地物的提取效果非常明顯，值得推廣應(yīng)用。

圖7 三維掃描儀點(diǎn)云三角網(wǎng)

圖8 無人機(jī)點(diǎn)云三角網(wǎng)

圖9 田坎聚類結(jié)果

圖10 田坎自動(dòng)提取結(jié)果

3 結(jié) 語

本文針對(duì)貴州山區(qū)地物的特點(diǎn)，基于三維激光掃描儀的工作原理，在利用三維激光掃描儀進(jìn)行地區(qū)提取的日常工作中，總結(jié)出了一些半自動(dòng)的地物提取方法，很好地提高了工作效率，同時(shí)在這些工作的基礎(chǔ)上，借助空間聚類理論，提出了一種新的能夠自動(dòng)提取山區(qū)地物(主要針對(duì)田坎)的方法，該方法經(jīng)過試驗(yàn)論證，取得了良好的效果，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。