李 鵬

(重慶市勘測院, 重慶 401121)

0 引言

地形測量指的是測繪地形圖的作業(yè)。即對地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程進行測定,并按一定比例縮小,用符號和注記繪制成地形圖的工作[1-2]。通過對地形進行合理測量形成清晰、直觀的地形圖不僅可以為實際工程提供重要的參考資料,也是工程得以順利完成的可靠保障[3-4]。

在以往的地形測量工作中,如羅偉國等人研究的基于微型無人機對地形測量方法[5]，周杰等人研究的基于傾斜攝影測量技術(shù)對地形測量方法[6]。二者分別通過單點或面的采集方法獲取離散點的三維坐標。

與以往在地形測量工作中使用的采集技術(shù)不同,三維激光掃描技術(shù)不僅可以實時高效率地采集大量的目標點三維立體信息,將目標物體的細節(jié)信息詳細準確地描繪出來,還可通過應(yīng)用計算機程序?qū)Λ@取的三維立體信息進行三維模型構(gòu)建,使得目標物體的形態(tài)呈現(xiàn)出較為真實的狀態(tài)[7]。因而本文研究基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法,保證地形數(shù)據(jù)采集的準確性與地形圖像處理的效率,更好地滿足實際地形測量工作需要。

1 三維激光技術(shù)數(shù)字化地形測量

1.1 三維激光掃描原理

通常情況下,在地形測量過程中應(yīng)用的三維激光掃描系統(tǒng)包括電源、內(nèi)置相機以及一些專門的圖像與數(shù)據(jù)處理軟件。其核心原理實際上就是通過連續(xù)重復(fù)性地執(zhí)行采集與處理數(shù)據(jù)操作從而完成激光測距的過程[8]。具體可以描述為：在激光脈沖發(fā)射器的驅(qū)動作用下,激光二極管會向外源源不斷地發(fā)射激光脈沖;激光脈沖在觸碰到目標物體后會在目標物體表面產(chǎn)生反射,反射后信號被接受透鏡接到后,會通過石英時鐘對激光二極管發(fā)射的激光脈沖信號與接受透鏡接收到的反射信號之間的時間間隔執(zhí)行計算操作,依據(jù)這個時間間隔,目標測點與三維激光掃描儀之間的距離就可被求解出來,同樣地,如果用α、β分別代表三維激光掃描儀激光脈沖的橫、縱向掃描角度觀測值,利用偏轉(zhuǎn)鏡就可實現(xiàn)對α、β的測量。最后經(jīng)過一些相關(guān)的計算操作,目標點的三維坐標也將被計算出來。用Q(x,y,z)表示目標點的三維坐標,可將三維激光掃描儀目標點坐標的測量原理用圖1表示出來。

圖1 三維激光掃描儀測量原理

三維激光掃描儀的坐標系統(tǒng)多數(shù)情況下使用的是掃描儀內(nèi)部的坐標系統(tǒng)。其中坐標系統(tǒng)的X、Y軸布置于三維激光掃描儀的橫向掃描面內(nèi),而Z軸則被布置于與激光掃描儀橫向掃描儀垂直的方向。對于目標點Q(x,y,z)的三維坐標可通過對式(1)～式(3)求解實現(xiàn)。

1.2 三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在利用三維激光掃描技術(shù)對地形數(shù)據(jù)進行采集時,掃描站點與路線并不是隨意設(shè)置的,而是綜合地形測量范圍、測區(qū)地形種類以及地形圖比例尺等條件進行合理布置的[9]。本文采用具有設(shè)站功能的HDS8800三維激光掃描儀對地形數(shù)據(jù)進行采集。

1.3 三維地形點云數(shù)據(jù)配準

在實際的地形測量工作中,想要獲得完整且準確的地形數(shù)據(jù),通常情況下會在不同位置不同方向?qū)δ繕说匚镞M行若干次的激光掃描[10]。由于各站間的坐標是獨立存在的,各站通過三維激光掃描儀掃描獲得的三維地形點云數(shù)據(jù)又都存在于激光掃描儀的坐標系當中,因而若想獲得整個測區(qū)的三維地形點云數(shù)據(jù)需對三維地形典型數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換,而這種將獲取的三維地形點云數(shù)據(jù)進行坐標系轉(zhuǎn)換的過程就是數(shù)據(jù)配準。

本文使用全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)與三維激光掃描儀共同完成對三維激光掃描儀獲得的三維地形點云數(shù)據(jù)的配準工作。配準原理為：通過GPS將地形測量現(xiàn)場安裝的圓形反射片中心的空間位置信息提取出來;使用三維激光掃描儀將圓形反射片的相對空間位置信息提取出來;利用反射片中心點的公共空間位置信息便可實現(xiàn)三維地形點云數(shù)據(jù)的配準工作。這種三維點云數(shù)據(jù)配準方法尤其適合地形測量工作的需要,不僅配準效率高,準確性也非常高。

1.4 基于改進二代小波變換的地形三維點云數(shù)據(jù)去噪

配準后的點云數(shù)據(jù)中常會存在一些噪聲點,這些噪聲點大致可以分成兩類,一類是由自然環(huán)境引起的噪聲點,比如由空氣中的灰塵抑或是車輛以及人員等障礙物遮擋引起的噪聲點。另一類則是由三維激光掃描儀中的各種硬件設(shè)備引起的噪聲點,如濾光鏡等在旋轉(zhuǎn)過程中被污染產(chǎn)生的噪聲點等。對于那些由于自然環(huán)境引起距離點云中心有一定距離、肉眼能夠識別的噪聲點,直接刪掉即可。而對于那些由于三維激光掃描儀硬件設(shè)備產(chǎn)生的點云數(shù)據(jù),通常狀況下,通過肉眼是無法發(fā)現(xiàn)的,這時,就需要運用合適的去噪方法將這些噪聲點去除[11]。

第二代小波變換是從傳統(tǒng)小波理論發(fā)展起來的一個分支,與第一代小波變換相比它有如下特點：①繼承了第一代小波的多分辨率特性;②不依賴于傅里葉變換;③易實現(xiàn)快速算法;④逆變換易實現(xiàn);⑤可實現(xiàn)非線性小波變換等。因此,本文對第一代小波變換進行改進,采用二代小波變換去噪方法對那些無法進行直接刪除噪聲操作的三維地形點云數(shù)據(jù)進行噪聲點去除。

用q代表原始地形點云數(shù)據(jù),ε代表用于執(zhí)行地形點云數(shù)據(jù)去噪的小波系數(shù),將含有噪聲的地形點云數(shù)據(jù)用qn代表,最接近原始信號的信號表示為q0。那么根據(jù)小波變化的基本原理,對地形點云數(shù)據(jù)的去噪過程實際上就是對存在噪聲信號的地形點云數(shù)據(jù)qn執(zhí)行小波變換操作,壓縮處理小波系數(shù)ε,之后通過壓縮處理后的小波系數(shù)對含有噪聲的地形點云數(shù)據(jù)執(zhí)行小波逆變換操作,從而獲得最接近原始地圖點云數(shù)據(jù)q的地形點云數(shù)據(jù)q0。在進行地形點云數(shù)據(jù)噪聲去除時,壓縮小波系數(shù)所需的閾值是通過軟或硬閾值函數(shù)確定的。用公式可將軟閾值函數(shù)表示為

(4)

用公式可將硬閾值函數(shù)描述為

(5)

由于通過軟閾值函數(shù)獲得的小波系數(shù)閾值準確性相對較低,而硬閾值函數(shù)在確定小波系數(shù)閾值時,又顯得不夠靈活。因而本文對式(4)、式(5)進行改進,獲得新的小波閾值函數(shù)。用公式可將其表示為

(6)

使用新閾值函數(shù)進行小波變換地形點云數(shù)據(jù)去噪的過程可歸結(jié)為：提升小波變換地形點云數(shù)據(jù)qn,獲得地形點云數(shù)據(jù)的近似尺度以及小波系數(shù);設(shè)置地形點云數(shù)據(jù)的壓縮閾值;對小波系數(shù)進行閾值壓縮處理;合成壓縮后小波系數(shù)與近似尺度系數(shù),獲得地形點云去噪數(shù)據(jù)q0。

1.5 地形點云數(shù)據(jù)抽稀與壓縮

由于利用三維激光掃描儀在進行目標點點云采集時,會獲得大量的地形點云數(shù)據(jù),導致處理效率的降低,因而在實際的地形測量工作中,地形點云數(shù)據(jù)在完成去噪工作后,還必須進行地形點云數(shù)據(jù)的抽稀與壓縮[12]。

一般來講,想要簡化地形點云數(shù)據(jù),可以采用數(shù)據(jù)冗余去除與數(shù)據(jù)抽稀壓縮兩種方式。本文對地形點云數(shù)據(jù)的抽稀與壓縮通過利用Realworks軟件完成。原因是該軟件不僅可對地形點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)隨機與空間采樣,還可完成掃描以及間斷的地形點云數(shù)據(jù)取樣。

1.6 地形點云空洞修補

一般情況下，可以通過實地補測與點云內(nèi)插的方法實現(xiàn)點云空洞的修補,并結(jié)合測量現(xiàn)場的地形照片,利用電腦上的點云數(shù)據(jù)處理軟件完成點云空洞修補。在實際的地形測量工作中,應(yīng)該盡可能獲取準確的地形點云數(shù)據(jù),避免出現(xiàn)點云空洞,如果出現(xiàn)點云空洞現(xiàn)象,應(yīng)根據(jù)實際情況采取合適的點云空洞修補方法對其進行合理有效的修補。

1.7 DEM模型生成

地形點云數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)的生成,首先需要利用地形數(shù)據(jù)的點云數(shù)先進行TIN構(gòu)建,之后以構(gòu)建的TIN為基礎(chǔ),通過一些合適的方法構(gòu)建地形點云數(shù)據(jù)DEM模型,而任何一個目標點的高程信息通過DEM便可得到[13]。

具體來講，地形點云數(shù)據(jù)DEM模型的生成可以與點云數(shù)據(jù)的抽稀與壓縮一樣通過Realworks軟件實現(xiàn),利用Realworks軟件依次執(zhí)行投影面挑選、三角網(wǎng)構(gòu)建、平滑與刪除三角網(wǎng)表面的凸起點等一系列操作便可生成所需的地形點云數(shù)據(jù)DEM模型。

1.8 地形圖繪制

Realworks軟件的導出功能,可以將選中的地形點云數(shù)據(jù)DEM模型的導出數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為RTF格式[14-15]。在格式轉(zhuǎn)換完成后,將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后的地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到專業(yè)的繪圖軟件中,并將其與三維激光掃描儀拍到的照片以及地形點云數(shù)據(jù)進行校對、賦值等操作。之后依次執(zhí)行裁剪等高線、清理與美化圖面、注記高程與地形圖輪廓生成以及整體修飾等操作即可完成地形測量工作。

2 實驗與研究

某市要興修一大型水電站,修建地區(qū)深山峽谷密布,山勢陡峭且只有少量稀疏的植被,為了滿足水電站設(shè)計需要需對其35 km2內(nèi)的地形進行測量。為此本文實驗以該水電站修建地址35 km2內(nèi)的區(qū)域為實驗對象,應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法對其進行地形測量,驗證本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法在地形測量方面的優(yōu)勢。

為驗證本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法進行地形點云數(shù)據(jù)采集時在效率方面的優(yōu)勢,分別應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法與文獻[5]基于微型無人機的地形測量方法、文獻[6]基于傾斜攝影測量技術(shù)的地形測量方法對地形點云數(shù)據(jù)進行采集,獲得的每分鐘內(nèi)地形數(shù)據(jù)采集效率對比見圖2。

圖2 采集效率對比圖

從圖2可以看出,應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法每分鐘采集的地形點云數(shù)據(jù)量始終高于文獻[5-6]方法。并且受噪聲環(huán)境的影響極小,在任何噪聲環(huán)境下的采集效率都很高。而應(yīng)用其他兩種方法在進行地形點云數(shù)據(jù)采集時,采集效率從一開始就較低,且受噪聲環(huán)境影響較大,即使在信噪比為125 dB時,1 min能夠采集到的地形點云數(shù)據(jù)也僅為3 500個。實驗證明：在應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法進行地形點云數(shù)據(jù)采集時,只需要應(yīng)用較少的時間就可采集到大量的地形點云數(shù)據(jù),具有較高的地形點云數(shù)據(jù)采集效率,可更好地滿足實際地形測量工作需要。

圖3是不同方法對含有噪聲的配準后地形點云數(shù)據(jù)進行去噪后獲得的去噪效果對比圖。

分析圖3可知,含有大量的噪聲的地形點云數(shù)據(jù),經(jīng)文獻[5]方法去噪后,噪聲點基本被去除,但是存在模糊現(xiàn)象,清晰度較低；應(yīng)用文獻[6]方法進行去噪后,圖像清晰度得到了一定程度的改善,然而去噪效果依舊不夠理想,圖像的銳化程度、飽和度以及清晰程度依舊有待提高；而應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法對含噪聲的點云數(shù)據(jù)執(zhí)行去噪操作后,點云數(shù)據(jù)無論從明暗度、清晰度以及銳化程度等上看效果均較理想。是因為本文采用二代小波變換去噪方法對那些無法進行直接刪除噪聲操作的三維地形點云數(shù)據(jù)進行噪聲點去除,提高了圖像清晰度。實驗證明：應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法對點云數(shù)據(jù)去噪獲得的去噪效果較好,將其應(yīng)用于地形測量過程中,可更好地完成地形測量工作。

(a)含噪聲點云圖

圖4顯示的是Realworks軟件在進行地形點云數(shù)據(jù)抽稀與壓縮、DEM模型生成以及DEM的格式轉(zhuǎn)換時,在不同信噪比環(huán)境下的能量消耗對比圖。

圖4 不同信噪比能量消耗

分析圖4可知,應(yīng)用Realworks軟件在進行地形點云數(shù)據(jù)抽稀與壓縮、DEM模型生成以及DEM的格式轉(zhuǎn)換時,即使在信噪比為60 dB時,消耗的能量也很低。并且隨著信噪比的不斷增加,Realworks軟件在進行地形點云數(shù)據(jù)抽稀與壓縮、DEM模型生成以及DEM的格式轉(zhuǎn)換時消耗的能量下降趨勢非常不明顯。說明運用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法即使在噪聲較大的環(huán)境下,也只需要較少的能量消耗便可完成地形點云數(shù)據(jù)抽稀與壓縮、DEM模型生成以及DEM的格式轉(zhuǎn)換工作,且上述操作受噪聲影響較小,在地形測量工作中更具優(yōu)越性。

在進行地形點云數(shù)據(jù)配準時,在各站放置若干反射片,這樣可以通過對比采集處目標點的空間位置信息與配準拼接后的目標點空間位置信息,分析本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法在掃描準確性方面的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)準確性統(tǒng)計見表1。

表1 數(shù)據(jù)準確性統(tǒng)計表 單位：m

計算上述表格中的最大差值、最小差值、差值均值,和中誤差,計算結(jié)果如表2和表3所示。

表2 誤差計算結(jié)果 單位：m

表3 中誤差計算結(jié)果 單位：m

從表3可以看出,采集處各目標點的坐標數(shù)據(jù)與拼接后目標點的坐標數(shù)據(jù)相比誤差極小,幾乎可以忽略。這說明本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法在掃描準確性方面具有絕對的優(yōu)勢,應(yīng)用本文方法進行地形測量獲得的地形圖與實際地形也更加匹配。

應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法可以實現(xiàn)數(shù)字化地形的測量,獲得能夠滿足實際工作需求的地形圖,為人們興建與設(shè)計各種建筑與工程提供可靠的依據(jù)。

3 結(jié)束語

本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法可以實現(xiàn)地形的數(shù)字化測量,并且在進行地形測量過程中具有如下優(yōu)勢：

(1)與其他方法相比,在應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法進行地形點云數(shù)據(jù)采集時,只需要應(yīng)用較少的時間就可采集到大量的地形點云數(shù)據(jù),具有較高的地形點云數(shù)據(jù)采集效率,可更好地滿足實際地形測量工作需要。

(2)應(yīng)用本文提出的基于三維激光掃描的數(shù)字化地形測量方法對含噪聲的點云數(shù)據(jù)執(zhí)行去噪操作后,點云數(shù)據(jù)無論從明暗度、清晰度以及銳化程度上去噪效果均較理想。將其應(yīng)用于地形測量過程中,可更好地完成地形測量工作。