利用激光点云数据提取采石场地貌特征

吴晓章，谢宏全，徐瑞基，龙 辉，卢 霞,王 晨

(1. 中国地质大学信息工程学院，湖北 武汉 430074； 2. 淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005； 3. 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590； 4. 江苏万源测绘地理信息有限公司，江苏 连云港 222001； 5. 地球化学勘查与海洋地质调查研究院, 江苏 南京 210007)



利用激光点云数据提取采石场地貌特征

吴晓章1,2，谢宏全2,3，徐瑞基2，龙 辉4，卢 霞2,王 晨5

(1. 中国地质大学信息工程学院，湖北 武汉 430074； 2. 淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005； 3. 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590； 4. 江苏万源测绘地理信息有限公司，江苏 连云港 222001； 5. 地球化学勘查与海洋地质调查研究院, 江苏 南京 210007)

三维激光扫描技术在地貌特征提取方面能够实时、主动、高效完成数据采集工作，具有传统测量方法不具有的特点。利用研究区点云数据生成等高线和三维模型可以真实地反映出其地貌特征。本文选择李庄采石场为研究对象，利用徕卡C10扫描仪获取激光点云数据，采用Cyclone和Geomagic Studio软件相结合对其进行预处理，再分别利用Cyclone、CASS、Surfer 3种软件提取地貌特征，并与常规测量方法进行了对比分析。研究结果表明：3种软件均可以生成等高线并生成理想的三维模型，且均有其特性；在制作精度和效率方面，利用点云数据绘制出的等高线相比常规测量方法有着明显的优势。

激光点云数据；采石场；地貌特征；三维模型

三维激光扫描技术在大比例尺地形图测绘中已有一定的应用研究[1-2]，但是由于目前还没有软件能够满足点云的各种非地形点剔除要求，对于大范围的地形扫描，容易造成数据缺失等，其应用于地形图精细绘制还需要长期的研究[3]。利用三维激光扫描仪获得的三维数据容易生成较常规测量方法更为准确的等高线和三维模型，具有一定的研究意义。近年来一些国内学者进行了相关研究，取得了一定的研究成果。王兆忠等[4]比较和分析了利用Section、Surfer和南方CASS 3种绘图软件绘制勘查区的地形等高线图；尹言军等[5]对CASS和Surfer在大比例尺地形图中自动生成等高线的质量、速度等方面进行了比较和分析。本文选择李庄采石场为研究对象，利用徕卡C10扫描仪获取激光点云数据，经过Cyclone和Geomagic Studio软件对获取到的点云数据进行预处理后，再采用Cyclone、CASS、Surfer等3种软件分别提取地貌特征，并与常规测量方法测出的数据作对比分析。

1 采石场点云数据获取及预处理

1.1 研究区概况

李庄采石场位于江苏省连云港市连云区云台山街道办事处李庄村李庄水库北侧，行政区划分属于连云区云台山街道管辖。采石场附近交通便利，西侧有连霍高速、陇海铁路。采石场较空旷，由于开采的缘故，采石平面形状不规则，地貌起伏不规律，植被较少，人流量相对较小，适宜进行地貌特征的提取。

1.2 采石场点云数据获取

合作单位江苏万源测绘地理信息有限公司于2006年利用RTK对采石场进行了测量。2015年11月17日，笔者利用徕卡C10扫描仪对采石场进行了点云数据的获取。为了与合作单位提供的2006年RTK测量数据进行对比，选择在相同坐标系下获取扫描数据。

根据徕卡C10的特点，需获取两个控制点的坐标。由合作单位技术人员采用南方公司的灵锐S82T接收机，在JSCORS系统支持下，采用RTK方式对采石场进行控制点的选取与测量，得到两个已知点的坐标。为了达到扫描目的和精度要求，结合李庄采石场较为复杂的地形特点，又考虑到徕卡C10扫描仪获取数据的特点，采用全站仪模式对采石场进行扫描[6]，共设立测站12站，采用中等分辨率，每站测量时间约为30 min。对于视野开阔地形平坦区域采用矩形区域，对于地形复杂的区域采用全景扫描，经过7个多小时的测量，完成了采石场的数据采集任务。

1.3 采石场点云数据预处理

将获取的多个测站的采石场点云数据导入Cyclone软件中利用自动拼接功能进行拼接。由于在提取地貌特征时，需将2006年的RTK测量数据与本次测量的数据进行对比，故在处理数据的同时，需要保证两者的范围相同。删除研究区域以外的点云数据，剔除非地貌因素的点云数据，由于激光扫描仪采集到的点云数据密度大且分布不均匀，对地貌特征的提取会产生一定的影响，且为了便于后期将数据导入CASS软件中处理，需将点云数据按地形测绘要求的密度进行统一化处理。本试验进行了1 m点云间隔的统一化处理，将统一化后的点云数据保存为xyz类型的数据文件。

将利用Cyclone软件处理后得到的xyz类型的数据导入Geomagic studio软件中，进行着色、去除体外孤点及非连接项、减少噪音、数据封装、数据转换为点等操作，完成对研究区域点云数据的精简。

2 提取地貌特征

利用研究区点云数据生成等高线和三维模型可以真实地反映出其地貌特征，利用目前较为常用的3款绘图软件Cyclone、CASS、Surfer分别提取研究区地貌特征。三款软件中设置比例尺均为1∶500，等高距均为1 m。

2.1 利用Cyclone软件

Cyclone是一款与徕卡三维扫描系统配套的专业数据处理软件，不仅能够进行点云的预处理，在提取地貌特征等方面也有着独特的优势。高绍伟等[7]利用点云数据生成了TIN模型，并采用人工提取地形、地物高程点和特征点的方法，结合数字化测图软件绘制了地形图；樊琦等[8]证实了针对Cyclone软件提出的建模方法是可行的。但鲜有学者将利用Cyclone提取的地貌特征与利用常规方法提取的地貌特征进行对比。本试验利用Cyclone软件的Mesh功能把经过预处理的点云数据生成TIN模型；使用多边形去噪工具手动剔除点云边界外的多余部分，将未覆盖点云的Mesh部分选中后剔除，得到了研究区的三维模型(如图1所示)，再通过Contoars功能生成等高线(如图2所示)。

图1 Cyclone中生成的三维模型

图2 Cyclone中生成的等高线

将生成的等高线保存为CASS软件所需的DXF类型的数据文件后，导入CASS中进行后期属性添加、等高线修剪，并与利用RTK测得的数据生成的等高线进行对比。

2.2 利用CASS软件

CASS软件是基于AutoCAD平台技术的数字化测绘数据采集系统，现已广泛应用于野外数字化地形成图，进行大比例尺地形测绘。陈新玺等[9]利用CASS软件，针对3个不同区域的海底地形数据进行等深线生成试验，对软件的应用能力进行了详细的比较和分析。

由于Geomagic Studio软件导出的数据为VTX类型的数据文件，该数据类型的文件无法导入CASS软件中使用，故导入前需要将VTX类型的数据文件转换为DAT类型的数据文件。将转换后的数据导入CASS软件中，经过定显示区，展野外测点点位，建立DTM，经设置比例尺、等高距等操作后生成等高线(如图3所示)，修改三角网，生成三维模型(如图4所示)，再利用RTK测得的数据生成等高线和三维模型。

图3 CASS中生成的等高线

图4 CASS中生成的三维模型

2.3 利用Surfer软件

Surfer是一款画二维、三维图的优秀软件，如绘制等高线、向量图、3D表面图等。该软件简单易学，生成等高线、图形图像等的质量比较高，且生成快速，易于修改，在等高线绘制中具有其他软件不可比拟的优势。姚艳丽等[10]分别使用了Cloud Compare、Polyworks和Surfer8软件对两期滑坡点云数据进行了整体变形监测分析。

Surfer对绘制等值线的数据有特殊的格式要求，需首先将数据文件转换成GRD类型的数据文件，才能绘制等值线，即绘制等值线需要先将Geomagic Studio软件输出的VTX类型的数据文件先转成DAT类型的数据文件再转换成GRD类型的数据文件。在“网格方法”中选择克里金插值法，生成网格数据报告后，再生成等值线图。

分别利用研究区的点云数据和RTK测得的数据绘制出等值线(如图5和图6所示)，并进行对比。

图5 点云数据生成的等值线

图6 RTK数据生成的等值线

利用Surfer软件生成三维模型，常采用的方法有2.5维DEM法和三维的基于线框、表面的建模法。本试验使用后者建模方法生成曲面图。选择上一步生成的GRD类型的数据文件，生成3D曲面图(如图7所示)。

图7 Surfer中生成的3D曲面图

3 结果对比分析

通过对以上试验结果的比较分析可得出3种软件的特性如下：

3.1 Cyclone软件

Cyclone软件可以直接对经过处理后的研究区域点云数据进行地貌特征的提取，避免了多个软件间的来回切换；其能够处理海量点云数据的特性是CASS和Surfer软件所不具有的；生成的等高线可与TIN重叠显示，若存在陡坎等地物因等高距较大未显示出来时可及时进行调整；Cyclone生成的三维模型相比CASS和Surfer细节较为丰富；点云与生成的TIN重叠在一起，可以很直观地显示出范围线外多余的TIN，利用多边形工具沿范围线进行修剪和调整，以免影响下一步的等高线的生成；在TIN中可以清晰观察出部分因树木遮挡造成反射所生成的尖状物，而这是与真实地形不符的，需要进行剔除；可以对生成的TIN进行放大和缩小及任意角度的旋转，便于查看。

Cyclone软件在地貌特征提取中的缺陷为：生成的等高线相比其他两个软件较为生硬；不能直接对生成的等高线进行修饰和标注，需要与其他软件相结合进行处理，较为烦琐。

3.2 CASS软件

相比Surfer和Cyclone软件，CASS软件可以对三角网进行删减和修整，能充分考虑陡坎等特殊地物，可自动切除穿陡坎、穿高程注记等高线等功能，满足对等高线的修饰，以便真实反映研究区域的地形地貌；可以控制等高线的生成范围，且在图像中可以加入一些地性信息，信息量较为丰富。

CASS软件在地貌特征提取中的缺陷为：CASS软件生成的等高线会出现相交的地方，需要人工根据实际地形进行修改和调整；由于软件对散点有数量上的限制，CASS无法直接处理由Cyclone软件导出的海量数据，需要对点云数据进行精简；相比其他两款软件，CASS生成等高线的速度较为缓慢；CASS的三维模型的显示效果较差，相比其他两款软件细节较少，不够直观。

3.3 Surfer软件

Surfer软件在提取地貌特征方面具有其他两种软件所不具有的优势：该软件生成等值线和3D曲面图具有坐标轴等使地貌特征显得更加直观；生成的等值线间填充渐变色更能反映出地形的变化趋势，生成的3D曲面图也可以根据需求填充不同的渐变色来反映其地形变化；可以设置等值线的线型、显示数值、光滑程度，以及等值线的等级、类别、比例尺；一般不会出现等值线相交的情况；操作相对简便。

Surfer软件在地貌特征提取中的缺陷为：点状要素的显示和定位较差，并且层的功能较弱；其3D曲面图与等值线不能相互对应，模型不如Cyclone精确；生成的等值线不能加入地性信息，因此在研究区地势起伏比较大时存在等值线交错的情况；Surfer导出的等值线数据没有高程信息，这给研究人员带来了一定的不便；该软件不具有动态显示的功能，无法满足连续观察的要求，以便更好地对图形作分析评价。

将利用RTK数据生成的等高线与利用点云数据生成的等高线作对比发现，两者在一些地势平坦的区域区别不大，但在一些地形变化较大的区域，利用点云数据生成的等高线细节较为丰富，更能反映出研究区域地形变化。

4 结 语

通过试验研究，证明了利用Cyclone、CASS、Surfer软件提取地貌特征是完全可靠、可行的。与常规测量方法相比，利用三维激光扫描技术提取的地貌特征更加接近实际。通过本次试验发现，还有许多需要改进的地方，如利用三维激光扫描技术提取的地貌特征点是随机的，经过点云统一化处理后，若点云间隔较大，会造成一部分地物信息的缺失。而常规方法在获取数据时，一般是人为选取地貌特征点，效果相对较好，故如何利用三维激光扫描技术全自动提取地貌特征点，仍是尚待解决的一个关键问题。如何减少遮挡物和扫描物体的反射对利用三维激光扫描提取地貌特征结果的影响，也是一个需要深入研究和解决的问题。

[1] 吕宝雄,巨天力.三维激光扫描技术在水电大比例尺地形测量中的应用研究[J].西北水利,2011(1):14-16.

[2] 李婷峰,杨润萍.基于地面三维激光扫描仪的丘陵地区地形快速测量[J].地矿测绘,2014,30(4):20-22.

[3] 胡奎,王丽英.三维激光扫描技术在精细地形图绘制中的应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32(7):953-956.

[4] 王兆忠,田振环,曹艳玲,等.几种等值线绘制方法的评述比较——以新疆尉犁县赛列克西勘查区为例[J].山东国土资源,2013,29(12):40-43.

[5] 尹言军,黄海涛,刘玉春.CASS和Surfer在地形图等高线自动生成中的应用比较[J].城市勘测,2008(4):86-88.

[6] 张志娟,田继成,葛鲁勇,等.全站仪模式获取三维激光扫描点云数据方法研究[J].测绘通报,2014(9):87-89.

[7] 高绍伟,薄志毅,王晓龙.利用三维激光点云数据绘制地形图[J].测绘通报,2014(3):67-70.

[8] 樊琦,姚顽强,陈鹏.基于Cyclone的三维建模研究[J].测绘通报,2015(5):76-79.

[9] 陈新玺,王冬梁,邓鹏,等.利用Surfer,ArcGIS和CASS自动生成等深线方法的比较分析[J].测绘与空间地理信息,2012,35(11):21-27.

[10] 姚艳丽,蒋胜平,王红平.基于地面三维激光扫描仪的滑坡整体变形监测方法[J].测绘地理信息,2014(1): 50-53,56.

[11] 李珵,卢小平,朱宁宁,等.基于激光点云的隧道断面连续提取与形变分析方法[J].测绘学报,2015，44(9):1056-1062.

[12] 彭维吉,李孝雁,黄飒.基于地面三维激光扫描技术的快速地形图测绘[J].测绘通报,2013(3):70-72.

[13] 张弛.基于Surfer软件的地形图快速绘制方法[J].水利技术监督,2009(3):41-43.

[14] 刘建英,王振勇.利用南方CASS软件准确勾绘与修饰等高线的方法[J].城市勘测,2009(4):113-116.

[15] 张靖,张爱能,刘国栋.三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用[J].西安科技大学学报,2014(2):199-203.

The Method of Extracting Topographic Feature of the Quarry by Laser Point Cloud Data

WU Xiaozhang1,2，XIE Hongquan2,3，XU Ruiji2，LONG Hui4，LU Xia2，WANG Chen5

(1. Faculty of Information Engineering, China University of Geosciences ,Wuhan 430074,China; 2. School of Geodesy & Geomatics Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005,China; 3. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying,Mapping and Geoinformation,Qingdao 266590, China; 4. Jiangsu Wanyuan Mapping Geographic information Co. Ltd., Lianyungang 222001, China; 5. Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey,ECE,Nanjing 210007, China)

The 3D laser scanning technology, which has the characteristics that the traditional measurement methods do not have,can extract topographic features timely, actively and efficiently. The contour lines and the 3D model can be used to reflect the topographic features of the study area. The data of the laser point cloud are acquired by Leica C10 scanner. Cyclone and Geomagic Studio are used to preprocess the data. Cyclone,CASS and Surfer are used to extract the topographic features. Conventional measurement methods are compared and analyzed.The results show that the three kinds of software can generate contour lines and the ideal three-dimensional model, and all have their own characteristics. As to the production of precision and efficiency, the contour line drawn from the point cloud data is obviously superior to the conventional methods.

laser point cloud data；quarry；topographic feature；3D model

吴晓章，谢宏全，徐瑞基,等.利用激光点云数据提取采石场地貌特征[J].测绘通报，2017(7)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0229.

2016-12-07;

2016-12-26

海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室资助项目(2014B09)；国家自然科学基金(41506106)；2014年度江苏省大学生实践创新训练项目(SD201411641107002)

吴晓章(1993—)，男，硕士生，主要从事三维激光扫描方面的研究。E-mail:cug.wxz@foxmail.com

P237

A

0494-0911(2017)07-0085-04