地面三維激光掃描的數據分析和建模研究

■吳培榮

（青海省第二測繪院　青海　西寧　810001）

地面三維激光掃描的數據分析和建模研究

■吳培榮

（青海省第二測繪院青海西寧810001）

本文分析了多視點云的拼接方法及三維激光掃描系統的誤差影響。采用了移動窗口最小二乘曲面擬合算法對數據進行了濾波處理，并著重探討了基于軟件的點云數據處理方法，以此為基礎數據進行了的建模和地形數據的建模輸出。

三維激光掃描點云拼接數據處理數據建模

三維激光掃描技術設備是科學技術和信息產業的又一次新技術革新。但對點云數據的處理還相對滯后，迫切需要可靠、快速、自動化的點云數據處理方法，以滿足高精度的數據質量和穩定高效的數據處理能力要求。針對三維激光掃描技術所獲取的實體的點云數據的后處理等的發展還相對滯后，還沒有形成一套標準的數據處理方案，因此對數據處理的研究顯得尤為重要。地面三維激光掃描技術廣泛應用于測繪技術行業，帶動了測繪技術的全新發展。

1　多視點云的拼接

1.1拼接計算

地面三維激光掃描獲得的數據是目標物體的三維點云，這與傳統攝影測量和遙感處理的數字圖像是不同的。由于數據處理中涉及到大量的鄰域信息需要進行處理，因此點云數據的表達和空間拓撲結構將直接影響著數據處理算法的可行性和效率。地面三維激光掃描儀通過發射和接收的激光束測量物體，并利用激光束中心點來定位，計算出每個點的三維坐標，即三維點云，并帶有強度信息和目標物體的反射率信息。多視點云拼接是將兩個或兩個以上基于掃描儀坐標系中的三維點云數據統一到同一坐標系下的過程。

1.2多視點云數據其拼接方法

第一種通過在掃描儀掃描的視場內配置測量標靶或基于不同測站共用的測量公共控制點的方式來實現。該方法在掃描議采集數據過程中將標靶或控制點擺放在掃描目標區域對象的內部或周圍，并保證這些公共的標靶在不同的掃描視場內能夠同時掃描到。最后，在用內業軟件進行數據處理過程中，將這些標靶所處的不同測站坐標系下的坐標計算出來，通過坐標變換計算出點云拼接的參數。第二種多視點云的拼接方法是基于具有一定重疊區域的特征點云的拼接，該方法首先是確定兩幅點云之間的重疊區域的同名點，并根據所確定的同名點來獲取多視點云拼接約束條件。

2　三維激光掃描數據濾波處理

2.1地面三維激光掃描點云數據處理

基本任務是將由激光掃描儀獲取的點云數據進行除噪聲點、濾波、分類、質量控制、數據建模等工作，得到數字地面模型簡稱。是數字表面模型的一個子集。根據地學原理點云濾波算法主要依據有以下兩點一是地形曲面的變化具有非間斷的連續性特征，激光點的高程突變一般發生在地面與非地面的過渡處，陡坎地形引起的高程突變方向單一二是地物的面積有限，一般地物平均高度隨面積的變化而成正比變化。

2.2基于坡度理論的點云濾波方法

基于地面點與非地面點之間的地形坡度與地面點之間的地形坡度有一定的差別。由此，可以用地形坡度變化關系來區分地面點和非地面點。假設對于點印，在給定的一個半徑的圓域中，若該點與區域中任何一點之間的坡度的最大值均小于給定的閉值，則被認為該點印是地面點，反之，則是非地面點。

2.3基于最小區域理論的點云濾波方法

該算法是直接基于離散的激光腳點進行濾波，突破了傳統內插方法的局限性。該算法首先假設地表為一復雜的空間曲面，利用一個二次曲面去擬合該空間曲面在其局部的面元，當滿足局部面元一定條件時，可以將其看做是一個平面。根據平面坐標方程計算區域內臨近的點，計算出各點的擬合高程，將該點的擬合高程與觀測高程做差，若其值大于給定的閥值，就認為該點不是地面點進而可以過濾掉若其值小于給定的閥值，就認為該點是地面點。當擬合點數達到一定數值時如達到，保持點數不變，在區域內新增一個地面點，用新點重復上述操作直到結束。該算法具有運算速度快、不需重采樣、不需事先剔除粗差、保證數據精度等優點。缺點是閥值的選取要進行大量人工實驗、點云數據要有一定的密度、地面邀連續等。

3　數據處理及數字高程模型的建立

3.1地面三維激光掃描數據的獲取

地面三維激光掃描系統是一種集成了多種高新技術和傳感器的新型空間信息數據獲取手段的系統，經過一系列處理獲取目標表面立體模型，經過軟件處理實現實體建模輸出。本論文實驗數據是用萊卡地面三維激光掃描儀采集的黃河小浪底水利樞紐工程地形數據，數據獲取過程中存在一定的誤差，拼接過程中誤差與理論誤差相比較大，達到2.3cm。

3.2地面三維激光掃描數據處理

由于不同軟件間數據格式不同，因此對采集的原始數據進行格式轉換，將讀取的原始的地面三維激光掃描以的點云數據進行數據預處理。跟據建立DEM的要求，把要生成數據高程模型首先要從分離出來的地面點中把建立的關鍵點即從地面點中提取出來。將提取出來的輸出為卿格式的數據文件，其文件后綴為文件，即使用軟件模塊讀取的工程文件，讀取文件后巨可在模塊中進行建模操作，完成建模后與最初的原始數據模型對比進行分析對比。原始數據中存在大量的非地面點，大部分點為高于地面的樹木和雜草等，對構建數字高程模型精度有很大的影響，因此在建立數字高程模型前必須要對這些影響精度的因素過濾掉。因此在點云數據分類的時候，分類參數的選擇也是非常關鍵的，直接影響到濾波效果的好壞，同時也直接影響到數字高程模型的建立精度等。

3.3數字高程模型的建立

本文采用基于等高線分布采樣點的方式建立模型。基于等高線分布采樣點，在建立是應顧及等高線特性。實際應用中等高線內插通常使用兩種方法一是沿預定軸方向的等高線直接內插。通過計算確定預定軸與相鄰等高線的交點，然后利用這些交點采用一系列的插值方法來生成規則格網數字高程模型。

4　結論

綜上所述，三維激光掃描測量技術在測繪領域的應用和發展，對于測繪學科來講，帶來了前所未有的發展，開辟了新的應用領域，拓展了測繪科學的研究和應用。地面三維激光掃描測量技術的強大的技術優勢和應用領域的發展還亞待進一步開發利用。

[1]戴靜蘭.海量點云預處理算法研究 [D].浙江大學碩士論文，2006.

[2]張遠智，胡廣洋，劉玉彤，王慶洲.基于工程應用的維激光掃描系統測繪通報，2002 (1)，22-25

[3]李樹楷，薛永棋.高效三維遙感集成技術系統 [M]北京科學出版社，2009

P2[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-166-1