基于三維激光掃描技術(shù)的地表等高線獲取

袁志明 李沛鴻

摘 要：三維激光掃描技術(shù)是繼全球定位系統(tǒng)技術(shù)之后的又一項(xiàng)重大的測(cè)繪新技術(shù)革命，幾十年來(lái)的發(fā)展使得三維激光掃描技術(shù)發(fā)展地越來(lái)越成熟。實(shí)際生產(chǎn)中，小范圍的等高線獲取采用GPS、RTK或者全站儀等獲取點(diǎn)位信息，然后使用Cass等軟件進(jìn)行等高線的生成；大范圍區(qū)域等高線獲取通常采用傳統(tǒng)的航測(cè)、空三加密、立體設(shè)備采集等流程，流程復(fù)雜。三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集高效、高精度、非接觸性等特點(diǎn)，能夠極大降低外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)、縮短生產(chǎn)周期的優(yōu)勢(shì)。本文提出使用Riegl VZ1000掃描儀，運(yùn)用RiSCAN_PRO軟件和Realworks軟件進(jìn)行快速獲取等高線的方案。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；高效快速；Riegl VZ1000；RiSCAN_PRO；Realworks

1 緒論

三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning）是一種能快速獲取掃描物體表面模型的新興技術(shù)，三維激光掃描儀發(fā)射紅外線光束，光束接觸到物體后反射回掃描儀，掃描儀對(duì)激光點(diǎn)所接觸物體表面的信息進(jìn)行處理并自動(dòng)存儲(chǔ)和計(jì)算，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。朱蕾蕾結(jié)合基礎(chǔ)的地理信息系統(tǒng)這一平臺(tái)進(jìn)行三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速生成等高線，具有高效、快速、簡(jiǎn)約以及美觀清晰的特點(diǎn)。[3]馮梅等人利用三維激光掃描儀測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用六種不同的軟件生成等高線。通過(guò)不同軟件之間的分析、比較、找出最合理有效的等高線生成方法。[10]本文所采集的數(shù)據(jù)是贛州市某地區(qū)的邊坡點(diǎn)云和江西理工大學(xué)本部校園內(nèi)的邊坡數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)用RiSCAN_PRO和Realworks這兩個(gè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，研究出一套適合工程應(yīng)用的地面等高線獲取的方法。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集流程

（1）任務(wù)概述和測(cè)區(qū)概括；

（2）技術(shù)依據(jù)；

（3）導(dǎo)線控制網(wǎng)主體方案；

（4）實(shí)地選點(diǎn)和埋石；

（5）外業(yè)觀測(cè)和內(nèi)業(yè)計(jì)算；

（6）測(cè)站的架設(shè)；

（7）標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集。

2.2 設(shè)計(jì)方案主體如下

（1）控制網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)該建立在穩(wěn)固的地方，距離待測(cè)邊坡100米以內(nèi)；（2）每次進(jìn)行掃描工作時(shí)，都要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，以驗(yàn)證控制點(diǎn)是否發(fā)生位移；（3）新建的控制點(diǎn)要與原有的控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，包括其水準(zhǔn)測(cè)量和平面測(cè)量；（4）用RTK與三維激光掃描儀一起聯(lián)測(cè)，需要獲取公共區(qū)域的特征點(diǎn)，保證相鄰的兩站數(shù)據(jù)有30%以上的重疊。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)的預(yù)處理：由于本文數(shù)據(jù)采集點(diǎn)區(qū)域范圍不大，所以只采集了一站數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)處理無(wú)需點(diǎn)云拼接。第一個(gè)步驟是坐標(biāo)糾正，即控制點(diǎn)坐標(biāo)糾正、其次是點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波。若數(shù)據(jù)量非常大時(shí)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，有利于數(shù)據(jù)的處理。

本論文運(yùn)用軟件Riscan Pro，它的特點(diǎn)在于方便儀器參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，可導(dǎo)入其他測(cè)量工具的測(cè)量數(shù)據(jù)以提高精度。

3.2 運(yùn)用 RiSCAN PRO進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

左鍵project然后點(diǎn)擊open，打開點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，在SCANS文件下有顯示測(cè)站數(shù)據(jù)，雙擊打開數(shù)據(jù)能設(shè)置點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示狀態(tài)。在view type中選擇3D模式，在描述欄中選擇All points have the same color，選擇單色，確定好之后我們可以看到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的3D空間分布圖。

3.3 RealWorks進(jìn)行除噪

進(jìn)行數(shù)據(jù)的濾波，常規(guī)的方法有以下幾種。第一種，減短掃描儀到掃描物體的距離，這樣以來(lái)其遮擋物更少，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲更小。第二種方法，是減少掃描儀系統(tǒng)自身的噪聲，通過(guò)調(diào)整儀器的參數(shù)。第三，則是通過(guò)電腦和軟件進(jìn)行手動(dòng)的噪聲剔除，提取噪聲小的數(shù)據(jù)。

3.4 RealWorks進(jìn)行等高線的提取

左鍵File，點(diǎn)擊Open鍵，打開已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。在彈出的窗口的Header選擇0，Separator欄選擇Comma，Units選擇米然后點(diǎn)擊ok。

在軟件的界面上可以看到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維形狀，雙擊點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以選中所有的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊Segmentation tool→點(diǎn)擊Polygonal Selection→從一點(diǎn)到另一點(diǎn)，提取所需要的點(diǎn)云區(qū)域范圍，間隔為1米→計(jì)算等高線，限差為0.01，進(jìn)行預(yù)覽→定義主等高線，可以定義跳過(guò)的個(gè)數(shù)→顯示等高線，點(diǎn)擊創(chuàng)建即完成。

4 結(jié)語(yǔ)

本文不足之處在于，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集只有一站數(shù)據(jù)，沒(méi)有涉及到點(diǎn)云的拼接。以后的研究中，在點(diǎn)云壓縮，點(diǎn)云去噪，數(shù)據(jù)分割，特征點(diǎn)提取等過(guò)程可以采用其它學(xué)者提出來(lái)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提高數(shù)據(jù)處理的效率進(jìn)而提高工程應(yīng)用的效率。通過(guò)其它數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，比較本文的等高線提取方法和其它軟件處理的效率的高低，從而得出更為合適的方案。本文通過(guò)自身的實(shí)踐操作，總結(jié)出來(lái)在已有條件下快速高效獲取等高線的一套方案，該方案將三維激光掃描技術(shù)和GPS測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，以保障數(shù)據(jù)采集的精度。

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