利用三維激光點云數據繪制地形圖

高紹偉，薄志毅，王曉龍

(1. 北京工業職業技術學院，北京 100042； 2. 北京建筑大學，北京 100044)

一、前 言

三維激光掃描技術是近年來發展起來的一項測繪技術，又被稱為實景復制技術，它能夠完整并高精度地重建掃描實物的空間三維形態，對掃描物體表面無需進行任何處理，真正實現無接觸測量，國內外的應用范圍相當廣泛[1-2]。

大比例尺地形測量從起初的圖解法平板測圖發展到解析法數字化測圖等方法。隨著三維激光掃描技術的應運而生，該技術作為獲取空間數據的有效手段，通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，為快速建立被測物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段[3]。

然而在掃描過程中，當有障礙物存在時，掃描得到的點云數據為障礙物上的信息，而被障礙物遮擋部分的數據無法獲取，進而無法獲取地形地物有用的信息。另外，應用三維激光掃描技術對地形測量應用的研究，因點云數據量大，文獻[4] 所提出的數據粗差剔除算法，本文認為其計算工作量是相當的。截至目前還沒有一套完整成熟的基于點云數據處理的地形圖測繪軟件。本文在分析激光三維掃描原理的基礎上，在探討激光三維掃描技術應用領域的同時[5-6]，通過實地考查，選擇了一塊具有山地地貌特征和有一定代表性地物的場地進行掃描試驗，并結合徠卡HDS4400自帶的I-site studio、Cyclone、CASS7等軟件繪制地形圖，給出了一些參考建議，試圖為大比例尺數字化測圖提供一種新的方法。

二、三維激光掃描的原理

地面激光掃描儀主要由激光測距儀、垂直角度傳感器、水平角度傳感器、垂直方向的步進電機、水平方向的步進電機、傾斜補償器及數據存儲器等組成。圖1為地面激光掃描儀的掃描原理圖。

地面激光掃描儀的激光測距儀發射一束強度足夠的激光束到被測的物體上，經過被測物體表面反射后，激光測距儀獲得儀器到投射點之間的距離，在記錄距離值的同時，儀器也記錄由角度編碼器獲取的水平角度和垂直角度。由步進電機驅動儀器的上部和激光束轉向鏡分別繞垂直軸和水平軸旋轉，實現激光束在地面激光掃描儀的掃描范圍內旋轉，達到對被測物體不同位置掃描的目的。

在地面激光掃描儀中，測距激光束是繞兩個相互垂直的軸進行旋轉的。這兩個旋轉軸的交點構成儀器局部坐標系的原點O；當測距激光束沿水平軸(又稱為第一旋轉軸)旋轉時，測距激光束能夠掃描出一個垂直扇面，該旋轉軸構成了地面激光掃描儀局部坐標系的Y軸；第二旋轉軸在理想情況下與第一旋轉軸垂直，構成了地面激光掃描儀坐標系的Z軸，一般情況下，Z軸處于鉛垂位置(又稱為垂直軸)；依據右手坐標系的構建原則，與地面激光掃描儀Y軸及Z軸垂直的為X軸，如圖1所示。在地面激光掃描儀的實測數據中，儀器只能測量出坐標原點O到被測物體反射面P之間的距離D、垂直角θ、水平角φ及回光信號的強度，將被測量轉換成地面激光掃描儀局部坐標系中的坐標，即有

(1)

從式(1)可以看出，要測量被測物體的空間坐標(x，y，z)，必須首先測量距離D、垂直角θ和水平角φ。由于地面激光掃描儀的距離測量完全依靠被測物體反射回來的測距信號，若僅從測量原理上講，地面激光掃描儀與傳統的免棱鏡全站儀是一樣的[7]。

圖1 地面激光掃描儀的掃描原理

三、利用激光三維掃描點云數據繪制地形圖

基于三維激光掃描技術繪制地形圖的主要作業流程包括外業數據采集、數據的預處理、點云的識別、邊緣信息的檢測、去噪、地物的提取與繪制、非地貌數據的剔除、等高線的生成、地物與地貌的疊加編輯等。

1. 數據采集

選取的試驗場地北面是帶有一定坡度的山地，在山腳下，有一段未加固的陡坎。南面是橫跨東西的公路，路上有明顯的照明線桿，西北路面有一段加固的陡坎。本文首先根據地形及掃描的對象，利用GPS RTK技術實測了兩個GPS控制點。然后，分別在每一個控制點上架設HDS4400三維激光掃描儀，用數據連接線將工業電腦連接到掃描儀上，對中，整平，并量取儀器高。在HDS4400三維激光掃描儀的工業電腦操作屏幕上，根據提示分別輸入測站點名、測站坐標、儀器高、后視點點名和坐標。利用儀器的照準功能，通過儀器遙控鍵使望遠鏡十字絲照準后視的標志。首先進行預掃，然后根據地形框選，最后選用近距離、高精度的掃描方式進行采集。兩站外業掃描結束后，利用I-site studio軟件對掃描的原始數據進行導入和導出，導出名為custom.txt的文件。

2. 地貌特征點的提取

將I-site studio導出的custom.txt文件，利用Cyclone軟件分別建立數據庫、模型空間和數據的預處理，模型簡化(去噪)后的點云圖如圖2所示。

圖2 原始點云數據圖

在原始點云數據的基礎上，設置采樣間距，重新采樣，設置采樣間隔為0.001 m，創建TIN-Mesh模型，如圖3所示。

圖3 TIN-Mesh模型

從TIN模型圖可以看出，有許多的“尖狀物”，結合地形分析可知這是由于樹木遮擋所造成的反射引起的。為此，在選擇地貌的高程點時，應刪除這部分點的數據。若在點云圖上用手工方法剔除這些非地貌數據，工作量比較大，而且很難保證徹底刪除。在隨后TIN模型上生成等高線時，這些未徹底刪除的“尖狀物”非地貌數據將參與繪制等高線的過程，從而使地貌失去現勢性，生成的等高線很不規則且雜亂，后期修剪工作將很繁瑣。本文提出一種在形成的點云圖和TIN模型上，結合地物和地貌的特點，直接利用軟件按一定的間隔提取高程特征點的坐標，繪制陡坎和地物，并對其標注，即在點云圖和TIN模型上采用人工采集數據的方法。

在TIN模型上，利用平移、縮放和不同角度的旋轉等功能，根據地形選取等高程特征點位置，如圖4所示。而對陡坎的選擇，同樣利用平移、縮放和不同角度的旋轉等功能在TIN模型上畫線，并對陡坎第一點的位置進行標注，如圖5中的K1、K2等所示。

圖4 TIN 模型上選取的高程點

圖5 TIN模型上選取的陡坎

3. 地物特征點的提取

地物信息包括點狀物、線狀物和面狀物3類。對于點狀物(如路燈等)，利用平移和旋轉等功能直接在點云圖上作標記。而對于線狀和面狀地物，同樣在點云圖上結合點云的顏色和反射率，畫線并作標記符號。如圖6中L1、L2為路邊，D1、D2等為路燈。

最后將提取的高程點和獨立地物標記點，利用軟件導出為TXT格式文件；對陡坎、線狀和面狀地物畫線的內容導出為AutoCAD DXF格式文件。

圖6 選取的路邊和線桿

4. CASS繪制地形圖

CASS地形地藉成圖軟件是基于AutoCAD平臺技術的數字化測繪數據采集系統，廣泛應用于地形成圖、地藉成圖、工程測量應用三大領域。將導出的TXT文件轉換成DAT文件，直接展繪。對于獨立地物，根據CASS的地物符號依據展點的位置繪制。將陡坎、線狀和面狀地物畫線的內容導出的CAD格式文件，插入到繪制的地形圖中，根據線性的標記識別不同的地物和地貌，并在原有線型的基礎上，利用不同的地物和地貌符號重新描繪，加以擬合。地貌生成等高線主要包括以下幾個流程：展高程點、根據測圖比例尺及數據量輸入相應的注記高程點間距、建立DTM、修改三角網并存盤、繪制等高線和修改等高線。最終形成的地形圖如圖7所示。

圖7 結合CASS利用激光三維掃描數據繪制的地形圖

四、地形圖精度檢驗

為了檢查提取的地形、地物點的準確性，驗證點云圖和TIN 模型的正確性及繪制地形圖的質量，對所繪制的地形圖進行平面和高程精度的檢查。采用GPT-3002LN全站儀實地采集地形、地物點平面位置與高程。高程檢查點覆蓋整個測區，其編號為G1—G10，共10個點；地物檢查點編號為D2—D9，共8個點，相鄰地物點的檢查共設置3處(如圖7所示)。高程點、地物點平面位置、相鄰地物點之間檢查具體統計分別見表1—表3。

《1∶500 1∶1000 1∶2000外業數字化測圖技術規程》(GB/T 14912—2005)規定[8]：對于城鎮、工業建筑區、平地、丘陵地測圖，當比例尺為1∶500時，基本等高距平地為0.5 m、丘陵和山地為1 m。地形圖上的地物點相對于鄰近圖根點的點位中誤差和鄰近地物點點間的距離中誤差。點位中誤差不超過±0.25 m；相鄰地物點間距中誤差不超過±0.20 m；等高線的插求點相對于鄰近圖根點的高程中誤差，平地不應大于基本等高距的1/3、 山地不應大于基本等高距的1/2、高山地不應大于基本等高距。

表1 高程精度檢查表 m

表2 地物點精度檢查表 m

表3 相鄰地物點精度檢查表 m

按照限差是測量中誤差2倍的原則，從表1—表3的數據統計可以看出，其差值均未超出技術規程規定的要求；同時可以得出結論，利用三維激光掃描數據繪制的地形圖完全可以滿足1∶500外業數字化測圖的要求。

五、結束語

結合本文的試驗對利用激光掃描數據繪制數字地形圖，總結如下：

1) 針對面積比較大且植被稀少，地形、地物較簡單的區域進行激光三維掃描的數據處理，因掃描的數據量大，考慮到計算機的性能，應結合地形、地物的特點分區、分塊進行，這樣有利于快速處理。

2) 在遮擋嚴重的地區，激光三維掃描儀無法采集真實的現狀數據，應結合全站儀進行補充采集。

3) 對于地物自然陡坎的繪制，應把點云圖和TIN 模型充分地結合起來，這樣才能夠準確地區分出來。

4) 三維激光掃描技術在地形測量中的應用還處于初級階段，急需開發數據后處理軟件，以解決遮擋所形成的噪聲數據的問題。

總之，地面三維激光掃描技術可以在較短的時間內對目標進行高精度、高密度的測量，并獲得三維空間信息，該技術具有掃描速度快、數據信息全面、精度高、過程簡單、可以節約大量的人力與資源、提高工作效率等優點。該技術是對數字化測圖方法的又一次創新，隨著后處理軟件的進一步完善，其應用前景將會越來越廣闊。

參考文獻：

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[2] 何秉順,趙進勇，王力，等. 三維激光掃描技術在堰塞湖地形快速測量中的應用[J].防災減災工程學報,2008，28(3)：394-397.

[3] 呂寶雄，巨天力. 三維激光掃描技術在水電大比例尺地形測量中的應用研究[J].西北水利,2011(1)：14-16.

[4] 李亮，吳侃，劉虎，等.地面三維激光掃描地形測量數據粗差剔除算法及實現[J].測繪科學, 2010，35(3)：187-189.

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[7] 楊俊志，尹建忠，吳星亮.地面激光掃描儀的測量原理及其檢定 [M].北京：測繪出版社，2012.

[8] 國家測繪局.GB/T 14912—2005 1∶500 1∶1000 1∶2000 外業數字化測圖技術規程[S].北京:中國標準出版社，2005.