利用三维激光点云数据绘制地形图

2014-08-16高绍伟薄志毅王晓龙

测绘通报 2014年3期

高绍伟，薄志毅，王晓龙

(1. 北京工业职业技术学院，北京 100042； 2. 北京建筑大学，北京 100044)

一、前言

三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项测绘技术，又被称为实景复制技术，它能够完整并高精度地重建扫描实物的空间三维形态，对扫描物体表面无需进行任何处理，真正实现无接触测量，国内外的应用范围相当广泛[1-2]。

大比例尺地形测量从起初的图解法平板测图发展到解析法数字化测图等方法。随着三维激光扫描技术的应运而生，该技术作为获取空间数据的有效手段，通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，为快速建立被测物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段[3]。

然而在扫描过程中，当有障碍物存在时，扫描得到的点云数据为障碍物上的信息，而被障碍物遮挡部分的数据无法获取，进而无法获取地形地物有用的信息。另外，应用三维激光扫描技术对地形测量应用的研究，因点云数据量大，文献[4] 所提出的数据粗差剔除算法，本文认为其计算工作量是相当的。截至目前还没有一套完整成熟的基于点云数据处理的地形图测绘软件。本文在分析激光三维扫描原理的基础上，在探讨激光三维扫描技术应用领域的同时[5-6]，通过实地考查，选择了一块具有山地地貌特征和有一定代表性地物的场地进行扫描试验，并结合徕卡HDS4400自带的I-site studio、Cyclone、CASS7等软件绘制地形图，给出了一些参考建议，试图为大比例尺数字化测图提供一种新的方法。

二、三维激光扫描的原理

地面激光扫描仪主要由激光测距仪、垂直角度传感器、水平角度传感器、垂直方向的步进电机、水平方向的步进电机、倾斜补偿器及数据存储器等组成。图1为地面激光扫描仪的扫描原理图。

地面激光扫描仪的激光测距仪发射一束强度足够的激光束到被测的物体上，经过被测物体表面反射后，激光测距仪获得仪器到投射点之间的距离，在记录距离值的同时，仪器也记录由角度编码器获取的水平角度和垂直角度。由步进电机驱动仪器的上部和激光束转向镜分别绕垂直轴和水平轴旋转，实现激光束在地面激光扫描仪的扫描范围内旋转，达到对被测物体不同位置扫描的目的。

在地面激光扫描仪中，测距激光束是绕两个相互垂直的轴进行旋转的。这两个旋转轴的交点构成仪器局部坐标系的原点O；当测距激光束沿水平轴(又称为第一旋转轴)旋转时，测距激光束能够扫描出一个垂直扇面，该旋转轴构成了地面激光扫描仪局部坐标系的Y轴；第二旋转轴在理想情况下与第一旋转轴垂直，构成了地面激光扫描仪坐标系的Z轴，一般情况下，Z轴处于铅垂位置(又称为垂直轴)；依据右手坐标系的构建原则，与地面激光扫描仪Y轴及Z轴垂直的为X轴，如图1所示。在地面激光扫描仪的实测数据中，仪器只能测量出坐标原点O到被测物体反射面P之间的距离D、垂直角θ、水平角φ及回光信号的强度，将被测量转换成地面激光扫描仪局部坐标系中的坐标，即有

(1)

从式(1)可以看出，要测量被测物体的空间坐标(x，y，z)，必须首先测量距离D、垂直角θ和水平角φ。由于地面激光扫描仪的距离测量完全依靠被测物体反射回来的测距信号，若仅从测量原理上讲，地面激光扫描仪与传统的免棱镜全站仪是一样的[7]。

图1 地面激光扫描仪的扫描原理

三、利用激光三维扫描点云数据绘制地形图

基于三维激光扫描技术绘制地形图的主要作业流程包括外业数据采集、数据的预处理、点云的识别、边缘信息的检测、去噪、地物的提取与绘制、非地貌数据的剔除、等高线的生成、地物与地貌的叠加编辑等。

1. 数据采集

选取的试验场地北面是带有一定坡度的山地，在山脚下，有一段未加固的陡坎。南面是横跨东西的公路，路上有明显的照明线杆，西北路面有一段加固的陡坎。本文首先根据地形及扫描的对象，利用GPS RTK技术实测了两个GPS控制点。然后，分别在每一个控制点上架设HDS4400三维激光扫描仪，用数据连接线将工业电脑连接到扫描仪上，对中，整平，并量取仪器高。在HDS4400三维激光扫描仪的工业电脑操作屏幕上，根据提示分别输入测站点名、测站坐标、仪器高、后视点点名和坐标。利用仪器的照准功能，通过仪器遥控键使望远镜十字丝照准后视的标志。首先进行预扫，然后根据地形框选，最后选用近距离、高精度的扫描方式进行采集。两站外业扫描结束后，利用I-site studio软件对扫描的原始数据进行导入和导出，导出名为custom.txt的文件。

2. 地貌特征点的提取

将I-site studio导出的custom.txt文件，利用Cyclone软件分别建立数据库、模型空间和数据的预处理，模型简化(去噪)后的点云图如图2所示。

图2 原始点云数据图

在原始点云数据的基础上，设置采样间距，重新采样，设置采样间隔为0.001 m，创建TIN-Mesh模型，如图3所示。

图3 TIN-Mesh模型

从TIN模型图可以看出，有许多的“尖状物”，结合地形分析可知这是由于树木遮挡所造成的反射引起的。为此，在选择地貌的高程点时，应删除这部分点的数据。若在点云图上用手工方法剔除这些非地貌数据，工作量比较大，而且很难保证彻底删除。在随后TIN模型上生成等高线时，这些未彻底删除的“尖状物”非地貌数据将参与绘制等高线的过程，从而使地貌失去现势性，生成的等高线很不规则且杂乱，后期修剪工作将很繁琐。本文提出一种在形成的点云图和TIN模型上，结合地物和地貌的特点，直接利用软件按一定的间隔提取高程特征点的坐标，绘制陡坎和地物，并对其标注，即在点云图和TIN模型上采用人工采集数据的方法。

在TIN模型上，利用平移、缩放和不同角度的旋转等功能，根据地形选取等高程特征点位置，如图4所示。而对陡坎的选择，同样利用平移、缩放和不同角度的旋转等功能在TIN模型上画线，并对陡坎第一点的位置进行标注，如图5中的K1、K2等所示。

图4 TIN 模型上选取的高程点

图5 TIN模型上选取的陡坎

3. 地物特征点的提取

地物信息包括点状物、线状物和面状物3类。对于点状物(如路灯等)，利用平移和旋转等功能直接在点云图上作标记。而对于线状和面状地物，同样在点云图上结合点云的颜色和反射率，画线并作标记符号。如图6中L1、L2为路边，D1、D2等为路灯。

最后将提取的高程点和独立地物标记点，利用软件导出为TXT格式文件；对陡坎、线状和面状地物画线的内容导出为AutoCAD DXF格式文件。

图6 选取的路边和线杆

4. CASS绘制地形图

CASS地形地藉成图软件是基于AutoCAD平台技术的数字化测绘数据采集系统，广泛应用于地形成图、地藉成图、工程测量应用三大领域。将导出的TXT文件转换成DAT文件，直接展绘。对于独立地物，根据CASS的地物符号依据展点的位置绘制。将陡坎、线状和面状地物画线的内容导出的CAD格式文件，插入到绘制的地形图中，根据线性的标记识别不同的地物和地貌，并在原有线型的基础上，利用不同的地物和地貌符号重新描绘，加以拟合。地貌生成等高线主要包括以下几个流程：展高程点、根据测图比例尺及数据量输入相应的注记高程点间距、建立DTM、修改三角网并存盘、绘制等高线和修改等高线。最终形成的地形图如图7所示。

图7 结合CASS利用激光三维扫描数据绘制的地形图

四、地形图精度检验

为了检查提取的地形、地物点的准确性，验证点云图和TIN 模型的正确性及绘制地形图的质量，对所绘制的地形图进行平面和高程精度的检查。采用GPT-3002LN全站仪实地采集地形、地物点平面位置与高程。高程检查点覆盖整个测区，其编号为G1—G10，共10个点；地物检查点编号为D2—D9，共8个点，相邻地物点的检查共设置3处(如图7所示)。高程点、地物点平面位置、相邻地物点之间检查具体统计分别见表1—表3。

《1∶500 1∶1000 1∶2000外业数字化测图技术规程》(GB/T 14912—2005)规定[8]：对于城镇、工业建筑区、平地、丘陵地测图，当比例尺为1∶500时，基本等高距平地为0.5 m、丘陵和山地为1 m。地形图上的地物点相对于邻近图根点的点位中误差和邻近地物点点间的距离中误差。点位中误差不超过±0.25 m；相邻地物点间距中误差不超过±0.20 m；等高线的插求点相对于邻近图根点的高程中误差，平地不应大于基本等高距的1/3、山地不应大于基本等高距的1/2、高山地不应大于基本等高距。