平坦區域等密度激光點云數據獲取方法

謝宏全，厲　堃，周　立，盧　霞

(1. 淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005;2. 海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

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平坦區域等密度激光點云數據獲取方法

謝宏全1,2，厲堃1，周立1，盧霞1,2

(1. 淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005;2. 海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

基于激光點云分布原理，通過試驗確定合理的分區掃描方法。利用徠卡C10掃描儀以單站方式進行整體和分區掃描對比試驗，針對條帶狀區域和矩形區域分別采用多站扇形分區和多站環形分區掃描方式獲取激光點云數據，并對激光點云數據進行處理與分析。研究結果表明：在平坦區域分區掃描方法可以獲得等密度激光點云數據，具有掃描時間較短、文件字節數較小的優勢，分區掃描方法具有較好的應用前景。

平坦區域；等密度；點云數據；分區掃描；掃描半徑

三維激光掃描儀在對平坦地形進行掃描時存在點云數據嚴重不均勻的問題，點云密度隨掃描距離的增大而增大，從而導致冗余數據繁多，掃描時間過長等問題[1-5]。近年來國內一些學者進行了相關研究，主要成果有：歐斌[6]研究了三維激光掃描技術的外業數據采集方法，指出了每種方法的優缺點及其應用范圍；劉舜等[7]闡述了點云密度不均勻導致建立的模型不能準確地反映實體的形態變化；劉會云等[8]在深入分析三維激光掃描儀工作原理的基礎上提出分區掃描方法。本文采用徠卡C10掃描儀通過試驗確定合理的分區掃描方法，針對條帶狀和矩形區域分別進行掃描試驗，對獲取的激光點云數據進行了詳細分析。

一、分區掃描方法原理

1. 激光點云分布原理

當地面三維激光掃描儀工作時，在儀器高度H一定的情況下，同一條豎直掃描線內，隨著掃描垂直角度α的增加，掃描半徑R逐漸增大，點云間距在逐漸增大，如圖1所示,根據三角形幾何原理可知掃描半徑R=H·cotα。假設儀器高為1.6 m，根據公式可計算出不同掃描半徑所對應的掃描垂直角度，見表1。

整體掃描會導致點云密度的不均勻，數據點分布示意圖見文獻[8]。激光點云越靠近儀器，點云的密度越大，隨著掃描半徑的增加，掃描點密度逐漸減小，在邊緣區域變得非常稀疏，三維激光掃描儀對平坦區域測量時點云數據分布非常不均勻，這是整體掃描方法存在的主要問題。

圖1　掃描半徑與掃描角度關系

掃描半徑/m1．6520355070垂直角度/(°)-45-17．94-4．57-2．62-1．83-1．31

2. 掃描半徑確定

本次研究采用徠卡C10三維激光掃描儀對平坦區域進行試驗，根據分區掃描的原理，需對各環分辨率進行合理設置，即設置不同掃描半徑下的水平間距和豎直間距[9]，水平間距根據需求選取。由于本次試驗針對平坦區域進行試驗研究，獲取的點云數據在同一平面內，因此儀器設置的豎直間距可由其在地面上的投影計算得到

l=d·tanα

式中，l為儀器參數中的豎直間距；d為地面上的豎直間距；α為垂直角度。

分區環數與掃描半徑的設置既要滿足點云密度均勻分布又要減少掃描時間，因此要對分區環數及掃描半徑進行合理設置。根據相似性原理可知：掃描半徑與點云密度成正比，通過試驗進一步驗證，設置最大掃描半徑為50 m，水平間距為5 cm。在點云數據圖上觀察水平間距為3 cm時恰好在30 m邊界處，因此掃描半徑的選取可根據需求的點云間距進行設定。通過試驗得知將各環邊緣點云間距比設置在60%，分區環數在4～5環，可以將效率最大化，如圖2所示。以此類推設定掃描半徑，可以將密度穩定在要求的范圍內。

二、單站分區掃描試驗研究

1. 試驗方案設計

選擇學校訓練場作為試驗場地，經掃描試驗分析，人造草坪對于激光的反射率良好，不影響本次試驗研究。對學校訓練場分別進行整體掃描與分區掃描試驗[10]，整體掃描以50 m為掃描半徑，儀器高1.6 m進行掃描，分區掃描設置為5個環帶，掃描半徑分別為50 m、30 m、18 m、10 m及3 m，并通過計算得出儀器設置相關參數(見表2)。

2. 野外點云數據獲取

在學校訓練場中心位置架設掃描儀，視場設置頂部-1.83°，底部-45°，左右分別為0和360°。自定義分辨率設置距離為50 m，水平間距為0.05 m，豎直間距為0.002 m。設置完成后，開始掃描，開始約10 s后儀器會顯示掃描進度(記錄掃描時間)，掃描結束可以初步查看圖像質量。

分區掃描以30～50 m環帶為例，視場設置為頂部-1.83°，底部-3.06°，左右分別為0和360°。自定義分辨率設置距離為50 m，水平間距為0.05 m，豎直間距為0.002 m。設置完成，點擊掃描，記錄掃描時間，查看圖像質量。同上述操作，對分區其余4環進行掃描。

3. 點云數據處理與分析

將掃描數據導入Cyclone8.0，直接查看結果，分區掃描點云分布如圖3所示[11]。由圖3可以明顯看出環帶的分布，各環帶半徑與設定一致，且點云分布也較為均勻。

圖3　分區掃描點云圖

根據整體掃描與分區掃描兩組試驗對比，利用Cyclone8.0軟件對點云進行處理[12-13]，提取相關指標數據信息，整體掃描結果見表3，分區掃描結果見表4。

表3　整體掃描結果統計

在表3和表4中，實際點數可以由Cyclone8.0軟件直接得到。環帶面積為外圓面積與內圓面積的差值。邊緣點水平(豎直)間距可通過Cyclone8.0軟件對各環帶進行量取，隨機選取5對點云取平均值。平均點密度為實際點數/環帶面積。掃描時間在儀器掃描時根據儀器進度顯示進行記錄獲取。

表4　分區掃描結果統計表

由表3和表4對比分析得出如下結論：

1) 整體掃描點間距相差較大，水平間距大約在0.2～5 cm之間，豎直間距大約在0.1～5 cm之間；分區掃描環帶內水平間距大約在3～5 cm之間，豎直間距大約在2～5 cm之間。因此，分區掃描優于整體掃描。

2) 整體掃描平均點云密度過大，約為14 070個；分區掃描各環帶內點云密度相差較小，相對較為均勻，總平均密度約為752個。整體掃描平均密度約為分區掃描平均密度的20倍。

3) 整體掃描用時90 min，分區掃描用時約為30 min(包括每一站參數設置操作時間在內)。整體掃描所用時間約是分區掃描所用時間的3倍，分區掃描大大節約了掃描時間，提高了工作效率。

4) 整體掃描的文件字節數為2.20 GB，分區掃描的文件字節數為104 MB。分區掃描的文件大小遠小于整體掃描的文件大小，方便了文件操作，并節約了文件存儲空間。

三、多站掃描試驗研究

為驗證分區掃描測量方法在大面積平坦區域中技術應用的可行性[14-15]，針對條帶狀與矩形區域進行多站掃描試驗，試驗采取扇形分區與環形分區兩種分區方法，并分別采用不同的拼接方法。

1. 扇形分區掃描

對平坦道路進行扇形分區掃描，場地采取標靶拼接的方式進行測量，道路寬10 m，測3站，每個測站掃兩個環，兩個環的掃描半徑分別為30 m和18 m。每個測站之間距離20 m，如圖4所示。

圖4　扇形分區原理

將掃描儀安置在道路中間的1號點位置，掃描兩個環帶，分別為10～18 m及18～30 m，根據計算得到相應垂直角度進行視場設置，自定義分辨率設置為水平間距5 cm，豎直間距分別為0.3 cm及0.5 cm，通過窗掃描確定左右邊界，進行掃描，掃描完兩環后對標靶進行掃描，然后遷至下一站，按相同步驟進行測量。將測量數據導入Cyclone8.0軟件進行數據拼接，自動拼接后點云數據如圖5所示。

圖5　道路掃描后點云圖像

2. 環形分區掃描

對學校籃球場進行環形分區掃描試驗研究，采取全站儀模式獲取點云數據[16]。籃球場全長104 m寬82 m，將籃球場劃分為4塊區域，采用假定坐標系，共設計4個圓形掃描區域進行覆蓋，共4站，每站掃描4個環，參數設置見表5，方案設計如圖6所示。

表5　儀器掃描設置參數

根據設計利用皮尺確定臨時點位置并做記號，將掃描儀架設到1號點位置進行對中整平，以a點為后視點，假設1號點坐標和1a方向的方位角，設置2號點為前視點，掃描2號點處標靶，點擊計算得到2號點坐標，然后按照單站分區掃描的方式掃描4個環帶，掃描結束遷站至2號點，以1號點為后視點，3號點為前視點。同上述操作，在3號與4號點進行掃描。外業掃描結束后將掃描數據導入Cyclone8.0軟件，自動拼接后點云數據如圖7所示。

圖6　籃球場掃描方案設計圖

圖7　籃球場掃描后點云圖像

3. 結果分析

1) 通過兩組試驗得出，合理的方案設計可以將分區掃描應用于多站地形測量中，且有較高的利用率。

2) 從拼接結果與約束條件來看，分區掃描單站多次掃描的方式并不影響圖像的質量。

3) 從整體影像及各環邊緣的點云分布來看，多站分區掃描既保證了點云密度的均一性，又大幅度縮短了掃描時間，相對整體掃描而言，大大提高了工作效率。

四、結束語

1) 分區掃描的測量方式可以獲得等密度的點云數據，可以有效地解決整體掃描帶來的點云分布雜亂不均勻的問題。

2) 分區掃描相對于整體掃描而言，大幅度減少了文件字節，節約了掃描時間，提高了工作效率。通過合理的內業計算，可以減少大量的人力物力及外業工作時間。

3) 分區掃描在大面積地形測量中也可以得到有效的應用，合理利用扇形分區和扇形分區方式不會影像點云圖像，同時又可以將分區掃描的優勢充分發揮，達到均勻點云密度、減少冗余數據從而提高工作效率的目的。

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Obtaining Method of Equivalent Density Data of Laser Point Cloud in the Flat Area

XIE Hongquan, LI Kun,ZHOU Li, LU Xia

謝宏全，厲堃，周立，等.平坦區域等密度激光點云數據獲取方法[J].測繪通報，2016(10)：69-72.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0332.

2016-05-27；

2016-09-11

海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(2014B09)；國家自然科學基金(41506106)；江蘇省海洋科學技術優勢學科建設項目(2014137)

謝宏全(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為地面三維激光掃描技術與應用。E-mail：xiehongquan@163.com

P234.4

B

0494-0911(2016)10-0069-04