地面三維激光掃描技術在山區(qū)水利工程測繪中的信息提取研究

徐 銳，羅天文

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

自世界上第一臺三維激光掃描儀開發(fā)問世到現(xiàn)在，已近有十多年的時間，隨著儀器制造技術的不斷進步，以及各行各業(yè)的科研及工程人員的不斷實踐，三維激光掃描儀已經非常先進，被廣泛應用于測繪、采礦、工程建設、城市規(guī)劃、交通、文物等行業(yè)中[1-4]。在測繪工作中，三維激光掃描技術為地形測繪和地質研究提供了一種新的工具和手段，是一種非接觸式主動測量方法，可進行大面積、高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集[5]，具有測量點位精度高、采集空間點的密度大、速度快等特點，使測繪從傳統(tǒng)的單點采集方式變?yōu)楦呙芏?、連續(xù)、自動獲取方式，增加了信息量，提高了工作效率，是繼空間定位技術(GPS)后的又一項測繪技術革新。

但是，由于其工作原理是通過主動發(fā)射激光，打到被測物體后接收反射回的激光形成三維點云[6]。從測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、農作物覆蓋面廣，且水利水電項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行測繪的難度。同時，對于測繪工作者來說，要將三維點云的數(shù)據(jù)通過提取地物信息的方式來生產數(shù)字線畫圖(DLG)，內業(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在貴州省的水利水電勘測設計行業(yè)甚至其他行業(yè)中的應用非常少，很多有設備的單位都是在西北、西藏等地表植被稀少的地方使用。由于該設備價格不菲，如果不能提供其內業(yè)數(shù)據(jù)處理效率的話，很難在我國南方地區(qū)進行推廣應用。

目前，國內外一些儀器生產廠商配套的數(shù)據(jù)處理軟件中，自帶了簡單的植被過濾和地物特征提取的功能[7]。從實踐工作中發(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提取，對于貴州山區(qū)測繪項目中的地物，特別是對于一些不規(guī)則的地物就束手無策，例如土坎、地類界、山崖等。常規(guī)的做法都是內業(yè)人員采用人工的方式在三維點云數(shù)據(jù)里面手動提取，這是一項非常繁瑣的工作，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，錯誤率非常高，嚴重降低了測繪工作效率。

因此，本文的研究目的，是針對貴州省的特殊地形對三維激光掃描技術中的信息提取方法進行研究，一旦解決了這個問題，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用，具有很可觀的應用前景和社會經濟效益。

1 半自動化地物提取

利用三維激光掃描儀進行地形圖測繪，遇到的最大的阻力就是如何在點云數(shù)據(jù)中快速高效的提取地物信息，這是國內外研究的熱點[8-10]，但是目前還沒一款專門針對測繪研制的三維激光點云軟件，因此，我們在實踐中做了很多實驗，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，因為Riscan Pro軟件中三維瀏覽、操作很容易，易取到地面點，就能利用這些節(jié)點坐標數(shù)據(jù)參與生成等高線。

在Riscan Pro提取地物時，要注意地物應該分類命名，比如土坎命名為tukan，房屋命名為fangwu，獨立墳命名為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編寫應用程序(如圖3所示)實現(xiàn)將三維多段線中的節(jié)點坐標數(shù)據(jù)轉換為南方CASS的展點數(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。再把生成的坐標數(shù)據(jù)展到圖中，生成成果如圖4所示。

圖4 利用FME實現(xiàn)坐標數(shù)據(jù)提取和分層后結果

(2)在無軟件狗的情況下，可利用Microstation V8i軟件提取地物，因為Microstation V8i軟件中三維瀏覽、操作點云不是太方便，有植被時不易取到地面點，這樣造成提取的地物上存在非地面點，故而不能利用這些節(jié)點坐標數(shù)據(jù)參與生等高線，圖5所示是在Microstation V8i中提取土坎。當然，可以對原始點云適當去除植被以后(設置參數(shù)可輕微去除植被而不會對坎上的特征點造成過濾)，再導入Microstation V8i里面提取地物這樣絕大部分也能取到地面點，并且這些地物上的節(jié)點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，方便后期轉換。對于有方向的線狀地物(比如土坎)繪制時注意在各自軟件中的畫線方向，坎向應該在畫線前進方向左側，后期轉換在南方CASS里面就可不用改變坎向，直接賦予屬性及更改線型。

2 田坎自動化提取

2.1 所采用的技術路線

由于在三維點云數(shù)據(jù)中如何自動化、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、道路的自動提取等[11-13]，對于貴州山區(qū)測繪項目中的地物，特別是對于一些不規(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)的做法都是內業(yè)人員采用人工的方式在三維點云數(shù)據(jù)里面手動提取和編繪，這是一項非常繁瑣的工作，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，錯誤率非常高，嚴重降低了測繪工作效率。

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行測圖時，要花大量的時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，田坎的高程會有突變，且田坎呈一定的形狀、密度進行分布等特征。目前，國內外還沒有一種專門針對山區(qū)田坎、土坎自動提取與編繪的方法。

為了能夠在三維點云中自動編繪田坎邊界，針對山區(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云中自動編繪山區(qū)田坎的方法，如圖6所示。

圖6 田坎自動提取算法流程圖

該方法具體技術方案如下：①獲取山區(qū)野外點云數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)預處理；②以Delaunay三角網邊長和頂點高程作為約束條件，利用基于概率論的三維空間聚類方法，對三維點云數(shù)據(jù)進行空間聚類；③判斷點云簇類型，區(qū)分田坎和田??；④將坎頂點連接成線，按照一定的規(guī)則進行擬合；⑤賦予田坎或田埂符號并輸出。

(1)數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)預處理具體包括以下步驟：①點云數(shù)據(jù)拼接;②通過現(xiàn)場布置發(fā)射片的方式，賦予點云三維坐標信息；③去除地表植被和噪點；④對點云數(shù)據(jù)按照一定密度過濾；⑤將點云數(shù)據(jù)轉換成DNG格式。

(2)空間聚類。利用基于概率論的三維空間聚類方法，對點云數(shù)據(jù)進行空間聚類的步驟，具體包括：①對所有點云Pi進行檢索，比較Pi與其一階臨近點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；兩點之間邊長臨近正態(tài)分布平均邊長，則判定此點為坎中點。其中Ht表示山區(qū)田坎最低高差；②刪除所有坎中點，將剩余點云構建Delaunay三角網；③求出三角網的正態(tài)分布平均邊長ND_Mean_Distance；④根據(jù)正態(tài)分布平均邊長準則從三角網中刪除長邊；⑤比較被刪除長邊的相鄰兩頂點的高程，將高程大的點判斷為田坎頂點，將高程小的點判斷為田坎底點。

(3)判斷點云簇類型。判斷點云簇類型，區(qū)分田坎和田埂，具體步驟包括：①對三角網中的點云Pi進行檢索，比較Pi與其周邊點PN之間的高程之差Hi，如果Hi都為正，判定此點為坎頂點；②根據(jù)坎頂點和坎底點的高差將高差在(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連接成線，按照一定的規(guī)則進行擬合，具體步驟包括：①將各自的坎頂點連接成線；②根據(jù)最小二乘原理進行擬合。

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

2.2 實驗結果

為了驗證該方法的可行性，開發(fā)了一套三維點云自動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，F(xiàn)ME2015等。圖7～圖10是各種地形的試驗結果,從實驗結果上來看，這種方法對山區(qū)田坎地物的提取效果非常明顯，值得推廣應用。

圖7 三維掃描儀點云三角網

圖8 無人機點云三角網

圖9 田坎聚類結果

圖10 田坎自動提取結果

3 結 語

本文針對貴州山區(qū)地物的特點，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行地區(qū)提取的日常工作中，總結出了一些半自動的地物提取方法，很好地提高了工作效率，同時在這些工作的基礎上，借助空間聚類理論，提出了一種新的能夠自動提取山區(qū)地物(主要針對田坎)的方法，該方法經過試驗論證，取得了良好的效果，具有較大的推廣應用價值。