基于地面三維激光掃描數據的等高線繪制

劉欣，陳小歌，張詩玉

(1.河南測繪職業學院,河南 鄭州 451464；2.商丘師范學院 測繪規劃學院,河南 商丘 476000)

三維激光掃描技術能在更大的范圍以更高的分辨率快速生成目標的三維坐標數據,過程中不需使用棱鏡,能在短時間內生成能顯示出來的復雜曲面的物理模型,坐標數據轉化成三維激光掃描圖像只需進行可視化處理，應用領域廣泛.我國首次應用三維激光掃描技術建立石窟藝術寶庫數字文檔；三維掃描儀對秦俑二號坑進行掃描,利于文物受損后快速復原,另外在變形監測、工程測量、地形測量、斷面和體積測量等都可使用.

本文就FARO三維激光掃描儀數據獲取及數據處理繪制等高線作出了相關研究,希望可以在工程項目的進行中發揮重要的作用.

1 點云數據獲取

1.1 工作原理

三維激光掃描系統包含采集數據的硬件部分和處理數據的軟件部分.根據不同的載體,三維激光掃描系統又能分為機載、車載、地面和手持型幾類.

地面三維激光操作系統由地面三維激光掃描儀、點云數據處理平臺、電源及其他附屬配件組成.掃描儀內部裝有激光測距系統和激光掃描系統,同時還有CCD和儀器內部控制和校正系統[2].三維激光掃描的基本思路是在待測對象上投射具有特殊結構形狀的激光光源,形成光條紋,然后使用左右兩側的攝像機拍攝圖像,取得激光條紋的立體信息,為了迅速獲取被測對象表面的三維坐標數據,激光發生器和左右攝像機同時也在圍繞被測對象旋轉.最后利用激光測距原理,通過高速激光發射器在短時間內測出空間三維坐標.其工作原理如圖1.

圖1 掃描儀工作原理圖

1.2 點云數據獲取

本次課題采用的是FARO三維激光掃描儀,安裝好儀器設置完參數后進行掃描,考慮到視野和地形,測區選在亞青附近的空地.在待測地點附近分散擺好5個靶標,保證能被掃描儀全部觀察到,掃描時先降低數據分辨率和質量進行粗掃,然后根據需要提高分辨率精確掃描地形[1].掃描完一站后將掃描儀換至下一站,移動2個靶標直到能被掃描儀全部觀察到,再次進行掃描.每站測量時都需有至少3個靶標與上一站相同,重復以上步驟測完全部5站.

2 點云數據處理

三維激光掃描儀本身具有視場角掃描距離的限制,每站只能掃描一部分數據,從多個角度不同方位進行掃描的數據要進行坐標系的統一[3],本次課題利用SCENE軟件對點云數據進行坐標系配準,然后利用Geomagic Studio軟件進行數據處理生成數字模型.其操作流程為：點云處理——封裝為多邊形——多邊形階段——造型階段——輸出模型.

當數據配準后得到的文件在CASS中處理太大,需要適當抽稀.將土地周圍不需要的房屋,道路等無效掃描點刪除.然后將文件以2%的采樣比率打開,重新保存,查看文件大小,若仍不符合要求,反復進行以上操作直到文件大小合適,完成后將文件保存為dxf格式.

3 CASS軟件中等高線的繪制

3.1 內插生成等高線

把生成的dxf格式文件導入CASS中,通過建立DTM模型和使用DEM內插方法生成等高線.

建立等高線需要的地面高程模型(DTM)之前,應找出明顯高出地面的碎部點,這些碎部點無法代表當地高程,需要將其剔除,操作時把其高程改為零即可.要注意畫出山脊線、山谷線、坡度變化線、地貌變向線、坡頂線和坡底線等線條，同時考慮陡坎選擇,這樣就能生成合理的DTM三角網,繪出精準切實的等高線.

3.2 等高線修飾和高程點的注記

繪制時遇到不應出現等高線的地物例如房屋等建筑物、雙線道路、路堤、坑穴、陡坎、斜坡、湖泊、雙線河、雙線渠、水庫、池塘以及注記的話都需要中斷這條等高線.注記時將字頭對準山頂或高地,遇到復雜的地段,需要注意保持地形特征的完整性.注記高程點時應選在具有明顯特征的地物或地形上,注記密度根據地形類別、地物點和地形點的數量決定,一般為每100 cm2內5～10個.

4 結 語

綜上所述,結合三維激光掃描繪制等高線比單純使用CASS的效率更高,能減少工作量,尤其在處理復雜圖形和自由曲面時這種優勢會更加明顯.雖然能為測量工作帶來更多便利,為人員減少工作量,但是也存在一些缺陷和不足需要進行完善.