三维激光扫描技术在数字地形建模中的应用

李杨

（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，西安 710003）

1 引言

三维激光扫描仪能以不接触被测物体的方式快速获取扫描范围内高密度、高精度的三维点位坐标,其扫描速度可达数万点每秒[1-2]，按测距原理可分为：三角法、脉冲式、相位式和脉冲—相位式三维激光扫描仪[3]，其作为一项实用高效的测量手段和技术,引进我国10余年来，已经得到了广大测绘科技人员的关注和青睐[4]。

三维激光扫描仪目前在国内主要应用在建（构）筑物三维可视化模型建立，特别是历史古建筑物的保存与恢复、变形监测、地面建筑物、地下铁路施工监测、滑坡、泥石流、矿区地表沉陷等工程上的试验性应用较多[5-7]，在野外高精度特殊用途数字地形点云数据采集应用方面较少见，这主要是点云数据在“除噪”、“降噪”上难度较大，2011年我院承担的生产项目是三维扫描技术在获取高精度地形数据方面的一次大胆尝试，为以后三维扫描技术在同类工程及地形数据采集方面积累了经验。

2 项目区概况

项目区位于陕西省韩城市芝川镇东少梁村境内的黄河台塬上、著名旅游景区司马迁祠对面、涺水河东岸。从西禹高速芝川大桥起向西北方向绵延约1.5公里长（一期工程）、宽200～400m之间。测区为典型黄土地貌，沟壑众多，有一定植被覆盖，施测困难。

项目要求数字地面模型点位采集密度达到10cm×10cm×10cm（XYH）的精度要求，塬上和塬下地势平缓地区可放宽到30cm×30cm。常规测量方法难以满足要求，因此采用三维激光扫描技术获取项目区三维模型成果。

3 研究方法

3.1 测量方案

利用高精度GPS测量系统获取已知反射点（靶标）的大地坐标（测区坐标系统）。同时利用激光扫描仪获取已知反射点（靶标）的相对坐标。根据已知反射点大地坐标和相对坐标（工程坐标）进行相互转化。

图1 点云数据拼接误差

野外数据采集过程中采用了自由设站的工作模式，每一测站数据采集完毕后同时对标靶进行扫描，然后用RTK测得标靶在GPS控制网中的三维坐标，根据测量标靶的三维坐标数据文件将扫描点云拼接在一起。野外工作实践证明，这种工作模式比较适合大场景的地形扫描工程项目。

3.2 数据处理

内业数据处理主要采用Cyclone软件和Geomagic软件，利用Cyclone软件进行点云数据拼接和数据预处理，利用Geomagic软件进行点云数据精细化处理与三维数据建模。

第一，点云数据拼接。

利用Cyclone软件中的Registration模块将不同测站(ScanWorld)的数据拼接到一起，初始的坐标系统是由指定的其中某一个独立的扫描仪的位置和方向决定的。将标靶的坐标文件（.txt）设置为目标测站(homeScanWorld)，其余所有测站（ScanWorld）的点云数据以标靶的实测三维坐标为约束条件，通过旋转相应三个方向的坐标轴拼接到home ScanWorld上去。点云拼接方式可选择：点云—点云，点云—标靶，标靶—标靶。本次作业采用点云—标靶拼接方式,拼接误差如图1所示，可以看出拼接误差为毫米级，完全满足工程需要。

第二，点云数据预处理。

点云数据预处理主要是去除覆盖于地形表面上的植被或是与地形信息不相关的人、电力线、建筑和其附属设施等地形“噪音点”。主要采取两个步骤：“点云分层和分块”和“点云切片”。

点云分层和分块。将覆盖于地形表面上的高大植被或是扫描现场不相关的人、电力线、建筑等明显不相关的信息通过手动的方式逐层、逐块切割，将这些杂乱数据分配到噪音点图层中去，此步骤需要大量的人工干预。

点云切片。通过点云的分层和分块去除部分明显噪音点后，用点云的切片功能来进一步精细处理那些不明显的噪音数据（如：小草）。将整个项目区的点云数据沿等高线走向，每隔0.1m高程切割成若干切片，对每一条切片进行精细化去除噪音点。如图2、图3所示。

图2 点云切片

图3 噪音点数据

第三，Geomagic中去除噪音点。

经过对点云数据分层分块、点云切片降噪处理后，把处理后点云数据导入到Geomagic中，通过自动去除噪音点（降低噪音点）、选择体外孤点和去除琉璃三种数据处理方式，对点云数据做进一步精细化处理。

在去除噪音点的过程中会剔除大量冗余数据，植被茂盛的地方点云数据稀疏，甚至有一些空洞区域，直接构建数字地面模型不能很好地表达微地貌。因此利用具有无棱镜测距功能全站仪或RTK对点云数据稀疏和有空洞的区域进行补测，补测点应能控制空洞区域地形总体特征，由于补测点的密度无法达到点云数据的密集程度，需通过数据内插的方法补充点云数据以达到微地貌建模的需要。

3.3 数据建模

第一，数字线划图（DLG）。

基于去除噪音点后的点云数据在Geomagic里对数字地面模型进行直接构建，通过测区三维数字地面模型生成0.5m等高距等高线，编辑后形成测区数字线划图。

第二，三维数据建模。

在Maya或3DMax下进行模型贴图渲染，通过纹理贴图、增加植被和建筑物模型、场景灯光设置、动画渲染、效果调整等步骤对模型进行处理，模型导入导出过程中保证坐标信息不丢失。由于本次作业重点表达测区三维地形场景，在建筑物及其附属设施建模、模型美化等方面投入精力较少，致使三维模型在表达植被、建、构筑物上视觉效果不佳。制作形成的测区三维地形数据场景如图4所示。

图4 测区三维数据模型

4 结语

三维激光扫描系统具有快速、细致和高精度的特点。将其应用在数字地形建模方面,可以减轻野外测量人员劳动强度,减少时间耗费,并能够获得满意的地形建模结果。

本次作业所用扫描仪激光脉冲为单次回波，点云总数据量接近12GB，数据处理后有效点云数据不足4GB，造成大量数据冗余，局部地区在剔除噪音点后，仍需采用内插方式增加点云数据，内业数据处理工作量较大；若采用市场上较为先进的多次回波工作方式，能否有效降低数据冗余，提高数据处理效率，仍需进一步研究。