利用激光點云數(shù)據(jù)進行大比例尺地形圖測繪的方法

吳曉章，謝宏全，谷風云，劉春秀，徐迎晨，張念坤

(淮海工學院測繪工程學院，江蘇連云港222005)

一、引 言

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用也成為研究熱點。國內(nèi)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形測量的案例多為研究性應(yīng)用。梅文勝等［1］詳細論述實現(xiàn)精細地形測繪的方法及步驟;呂寶雄等［2］依托Riegl三維激光掃描儀在青海黃河拉西瓦水電站作了相關(guān)研究;胡奎等［3］針對煤礦沉陷區(qū)采用三維激光掃描技術(shù)成功繪制了精細地形圖;彭維吉等［4］用Riegl VZ1000三維激光掃描成像系統(tǒng)進行了1∶2000地形圖成圖研究;崔劍凌［5］以西藏水利樞紐及配套灌區(qū)工程地形測量項目為例，完成了3種比例尺地形圖測繪。本文以淮海工學院蒼梧校區(qū)一葉湖周邊為研究區(qū)域，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，重點研究1∶500地形圖(地物)制圖方法，最后與全站儀測圖方法進行對比分析。

二、點云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

1.測區(qū)概況

本次試驗以測繪地物為主，選擇校園內(nèi)一葉湖的長方形區(qū)域，東西長約300 m，南北長約265 m，周圍是校園道路，西部主要是人工草地(有稀疏樹木)，東部是人工湖，湖中有3個小島(樹木雜草繁多)，道路周邊有馬路牙子、雨水篦子、窨井蓋、花壇、路燈等地物。

2.獲取點云數(shù)據(jù)方案設(shè)計

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，依據(jù)儀器功能采用全站儀導線方式進行掃描，為獲取滿足1∶500地形圖制圖的精度要求，有效掃描距離控制在100 m以內(nèi)，采用全景掃描方式，以高分辨率方式(點間隔5 cm/100 m)對測站周邊進行掃描。依據(jù)已知控制點(編號為A、B、C、D)情況，在長方形的4個角布設(shè)4個閉合導線(如圖1所示)，采用全站儀加密4個控制點(編號是 01、02、03、04)。

圖1 閉合導線布設(shè)略圖

3.野外點云數(shù)據(jù)的獲取

依據(jù)獲取點云數(shù)據(jù)設(shè)計方案，在校園控制點的基礎(chǔ)上采用全站儀加密4個控制點(編號為01、02、03、04)，4個閉合導線分別進行掃描。依據(jù)導線設(shè)計略圖，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在地面上做臨時導線控制點標志，并做好點編號。從導線已知點開始架設(shè)掃描儀，按照導線方式逐站進行掃描，具體方法見文獻［6—7］。每個測站掃描時間大約在 0.5～1 h，數(shù)據(jù)保存在一個工程文件內(nèi)。

4.點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

將儀器中的數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)揭苿哟鎯υO(shè)備，數(shù)據(jù)文件約為23 GB，傳輸時間約為3 h。一次性導入Cyclone軟件中失敗，因此采用“Import ScanStation C10 Partial Project”命令分批導入，每次選擇2～4個測站數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)導入Cyclone軟件中大概需要3 h。

外業(yè)采集的測區(qū)原始數(shù)據(jù)在導入Cyclone軟件后會根據(jù)坐標點自動生成拼接數(shù)據(jù)。由于Cyclone軟件的一些默認設(shè)置的原因，拼接后的圖像中顯示的點云數(shù)量偏少，局部地物信息缺失嚴重，需在設(shè)置中改變“最大點云顯示數(shù)”，設(shè)置后的點云可清晰看到局部地物信息。

依據(jù)測圖范圍，利用Cyclone軟件功能，手動操作將測區(qū)范圍以外的點云刪除。為消除點云數(shù)據(jù)冗余，Cyclone軟件中提供了歸一化命令(unify clouds)，選擇 Reduce Cloud:Average Point Spacing，依據(jù)需要設(shè)置參數(shù)后，點擊Unify按鈕就可以完成點云歸一化。

三、大比例尺地形圖制作方法

選擇AutoCAD 2013安裝徠卡Cyclone軟件的CloudWorx插件，制圖軟件采用 CASS7.0，地物圖主要制作過程如下:

1.提取地物特征點與特征線要素

在AutoCAD 2013軟件中導入預(yù)處理后的測區(qū)點云數(shù)據(jù)，選擇俯視狀態(tài)視圖。由于軟件的一些默認設(shè)置的原因，導入AutoCAD中的點云數(shù)量顯示過少。需在工作空間中重生成視圖，重新生成點云數(shù)據(jù)，使顯示更加清晰。

利用AutoCAD 2013軟件提供的樣條曲線工具等功能命令手工繪出道路、房屋等地物的特征點與特征線要素(如圖2所示)。

圖2 提取地物特征線

2.地形圖繪制與編輯

在AutoCAD 2013軟件中手工提取地物特征點線后，以DXF的格式輸出，然后在CASS7.0軟件中打開文件，依據(jù)地物特征點線按照1∶500比例尺要求繪制地物符號。

由于點云數(shù)據(jù)導入至AutoCAD 2013中部分點云數(shù)據(jù)缺失，造成路燈、井蓋等局部地物要素無法精確提取。在Cyclone軟件中打開點云數(shù)據(jù)，提取所需地物點的平面坐標，在CASS7.0軟件中通過輸入坐標法確定特殊地物點的位置，再選擇相應(yīng)符號繪制，最后添加文字注記信息。

在CASS7.0軟件可完成地形圖的整飾，測區(qū)范圍的成圖效果如圖3所示。

圖3 測區(qū)1∶500地形圖

四、與全站儀測圖方法的對比分析

本文將基于三維激光點云數(shù)據(jù)的大比例尺地形圖測繪方法與全站儀測圖方法進行了全面對比，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢可總結(jié)為以下幾個方面:

1)完整獲取測區(qū)地形點云數(shù)據(jù)。利用地面三維激光掃描儀采用全景掃描和高分辨率方式獲取測區(qū)內(nèi)點云數(shù)據(jù)可以做到全覆蓋，局部地物細節(jié)表達清晰(如雨水篦子、窨井蓋等)，在地形圖繪制過程中對地物可以依據(jù)Cyclone中處理后的三維點云數(shù)據(jù)實時提取。而全站儀測圖方法是用全站儀測定行樹兩端點的坐標，在CASS成圖過程中進行等間距的符號繪制。另外，全站儀測圖方法在數(shù)據(jù)采集過程中，對地物特征點采集的質(zhì)量主要依靠測繪人員的專業(yè)水平，在跑點過程中有可能出現(xiàn)漏測、測量不規(guī)范等情況，如當時不能及時發(fā)現(xiàn)，需補測。

2)地物繪制的精度較高。將同一區(qū)域地形圖試驗成果與全站儀模式測量繪制的地形圖進行疊加對比，在精度上存在一定差異，可以總結(jié)為兩種情況:一是某些地物符合度較高，即兩種方法外業(yè)數(shù)據(jù)采集精度上相差無幾，如對道路拐角的測量;二是某些地物符合度較低，即兩種方式精度上相差較大，如行樹的繪制，基于三維點云數(shù)據(jù)可以精確提取每棵樹的三維坐標，全站儀測圖是測量行樹兩端精確位置在CASS軟件中等間距繪制而成，行樹兩端位置幾乎重合，但行樹中間位置差異較大。經(jīng)過全面對比分析，基于三維點云數(shù)據(jù)繪制的地形圖地物總體精度上要高于全站儀測圖。

3)復雜地物點云獲取快捷，特征表達準確。地面三維激光掃描儀采用無接觸式高速獲取掃描物體表面的三維數(shù)據(jù)，直接實現(xiàn)各種復雜環(huán)境、不規(guī)則實體、危險區(qū)域等的三維數(shù)據(jù)的采集。如在測區(qū)范圍內(nèi)對3個孤島獲取的點云數(shù)據(jù)清晰準確，在CAD軟件中可直接準確提取出孤島的輪廓線。而全站儀測圖方法是通過免棱鏡模式對孤島的輪廓線進行若干特征點的測量，在CASS軟件中采用多段線方式繪制輪廓線，精確度相對較低。

4)儀器自動化程度高，野外人員絕對作業(yè)時間短。三維激光掃描儀在野外掃描過程中只需測量人員在測站點上進行對中、整平、定向及掃描方式的設(shè)置等一系列簡單操作后，儀器將自動根據(jù)設(shè)置對測區(qū)進行掃描，對于測繪人員來講，其絕對作業(yè)時間較短，操作簡便。而全站儀測圖模式在外業(yè)采集信息的過程中需要測量人員不間斷選擇碎步點來達到采集地物特征點的目的，作業(yè)時間較長，勞動強度較大。

地面三維激光掃描技術(shù)在大比例尺測圖方面目前還處于研究試驗階段，還有一些問題亟待解決，主要體現(xiàn)在以下4個方面:

1)地面三維激光掃描儀與全站儀相比價格非常昂貴(150萬元左右)，目前國內(nèi)企業(yè)普及程度較低，國外品牌儀器占有率高，國內(nèi)品牌儀器還處于研究應(yīng)用的起步階段。全站儀具有價格絕對優(yōu)勢，普及程度非常高。

2)目前沒有一套成熟的基于三維點云數(shù)據(jù)的專業(yè)繪圖軟件，只能通過將數(shù)據(jù)在各個軟件之間轉(zhuǎn)換并進行處理，同時國內(nèi)地面三維激光掃描儀技術(shù)應(yīng)用規(guī)范還在制定中。而全站儀從測量到驗收有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，成果移交檢核沒有歧義。

3)本次試驗研究在每個測站上自動采集時間大約1 h，野外數(shù)據(jù)采集相對作業(yè)時間較長。而全站儀則是對測區(qū)內(nèi)地物特征點進行坐標測量，外業(yè)時間較短，工作效率較高。

4)由于掃描精度較高，導致點云數(shù)據(jù)量龐大(23 GB左右)，數(shù)據(jù)從儀器導出和導入Cyclone軟件時間較長(約3 h)，并且在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中花費時間較多。全站儀采集的碎步點數(shù)據(jù)可以直接導入CASS軟件，并依據(jù)草圖繪制地形圖，內(nèi)業(yè)時間較短，操作簡便。

五、結(jié)束語

本文選擇以地物為主的長方形區(qū)域為研究對象，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，采用儀器隨機處理軟件Cyclone進行了點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，選擇AutoCAD 2013安裝CloudWorx插件，利用CASS軟件重點研究1∶500地形圖(地物)制圖方法，最后與全站儀測圖方法進行對比分析。通過試驗研究，雖然可以繪制符合精度要求的大比例尺地形圖，但是由于多種因素影響還不能廣泛普及應(yīng)用于測繪企業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)。地面三維激光掃描技術(shù)成熟應(yīng)用于地形圖精細繪制有許多問題有待進一步研究。

［1］梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細地形測繪［J］.測繪通報，2010(1):53-56.

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

［3］胡奎，王麗英.三維激光掃描技術(shù)在精細地形圖繪制中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學學報:自然科學版，2013，32(7):953-956.

［4］彭維吉，李孝雁.基于地面三維激光掃描技術(shù)的快速地形圖測繪［J］.測繪通報，2013(3):70-72.

［5］崔劍凌.地面三維激光掃描在難及區(qū)域地形測量中的應(yīng)用［J］.北京測繪，2014(2):85-87.

［6］張志娟，田繼成，葛魯勇，等.全站儀模式獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法研究［J］.測繪通報，2014(9):87-89.

［7］謝宏全，侯坤.地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學出版社，2013.