基于地面三维激光扫描技术的等高线绘制方法研究

基于三维激光扫描技术的的等高线绘制方法研究

 

摘要：为解决传统地形图测绘效率低消耗人力物力巨大的缺陷，提出基于三维激光扫描技术的的等高线绘制方法。本文介绍了利用扫描仪获取地形点云数据的具体步骤，然后阐述了如何处理点云数据并生成三维模型，最后利用高程自动追踪方法实现了等高线自动绘制。实验表明：该方法可提高地形图等高线绘制的工作效率和精度。

关键词：三维激光扫描技术；等高线；高程自动追踪；点云处理

中图法分类号：P217

0.      引言

传统的地形图测量方法是通过全站仪、水准仪或GPS接收机等测量设备获取有关地形地貌的数据^[1]。这种方法采集到的地形地貌信息极为有限且需要耗费大量的人力物力，最终的成图精度也很难达到要求。特别是对于悬崖、深沟等危险地形，传统测绘方法不仅难以测量而且危及测量人员的人身安全。在测量任务繁多，精度要求越来越高的发展趋势下，发展新型的地形图测量方法具有重要意义。

三维激光扫描技术作为一种新兴的测量技术，它与以前的测量技术相比最突出的优势是突破了传统数据采集处理方式效率低的局限，能够短时间内获取被测物体表面大量的点云数据，能实现全天候非接触测量，故三维激光扫描技术解决地形图测量难题的有效手段^{[2, 3]}。本文将先介绍扫描仪获取地形数据的步骤，然后通过数据处理获取地形等高线。

1.     地形扫描数据获取

选用奥地利Rigel公司的VZ400地面三维激光扫描仪为实验设备，实验对象选择为某三维地形仿真模型，该模型包含山峦、河流、平原和道路等典型地形地貌。为了获得仿真模型全方位的点云数据，需要对其进行多站扫描，本次实验在仿真模型四周均匀设置5个测站。为实现多站点云的拼接，在仿真模型周围适当位置均匀布设平面标靶，但要保证相邻两测站可以扫描到的共同标靶不低于4个。首先在第一个测站架设扫描仪，用反射片扫描模式对平面标靶先进行粗扫，再进行精扫以获得精确的标靶中心坐标。然后，将扫描模式从反射片模式改为长距模式，框选需要扫描的仿真模型范围，对仿真模型进行扫描，得到相应的点云数据。接着依次将扫描仪搬至下一个测站，重复上述测量工作，直到5个测站的点云数据获取完毕。如图 1是测站2获取的仿真模型点云数据。

图1  单站点云数据示意图

 

 

2.     点云数据预处理

2.1拼接

通过激光扫描仪所得到各测站地形仿真模型点云数据是相互独立的，因此需要将5个测站的扫描数据纳入到统一的坐标系下。本文以第一个测站为基准测站，利用其它测站与第一测站扫描到的公共靶标的中心坐标，通过坐标转换的方法把其余4站点云数据转换到第一测站坐标系下面。统一坐标系后的5站点云如图 2所示。

2.2预处理

由于测量环境、仪器测量精度和被测物体表面反射特性等因素影响，点云数据中包含噪声点和离群点。在Geomagic Studio12中通过视角变化、旋转、平移等操作删除明显的非模型点和噪点。需要注意的是，沙盘模型的植被模型会对等高线生成造成影响，因此植被点云也需要删除。人工删除明显点后，还有一部分是浮点，漂浮在模型山体表面，也属于冗余数据，但是人工很不好删除，利用Geomagic Studio12自带的 去除“体外孤点”功能来删除这些噪点。每一次“体外孤点”操作过后都会删除一定数量的噪点，经历过10多次之后体外孤点基本上存在的数量就很小了，对后续的工作造成的影响就很小了。

因为扫描仪获取的每一站数据都很大，拼接后的数据量就更加庞大。这些冗余的数据对于等高线的绘制没有帮助作用，相反会消耗巨大的屋里内存，降低数据处理的效率。因此需要抽稀点云数据。为了在抽稀点云的同时保留点云的心结特征，本文按照点云曲率对数据进行抽稀。经过去噪抽稀处理后的点云数据如图 3所示

图2 点云拼接完成效果                   图3 去噪抽稀后点云

3.     三维模型构建

  完成预处理后的点云数据是一个一个孤立的点的集合，缺乏点云之间必要的拓扑连接关系，需要构建这些散乱点云的三维模型以获得模型表面更多的几何信息和属性信息。利用“封装”功能把散乱点云转换成由三角面片构成的三维模型。

图 4 封装处理后三维模型

进行“封装”处理后，孤立的点就变成了一个具有实际意义的三维模型。这个模型是对被测目标的真实刻画，可以在模型上对模型进行测量工作。但是这个模型并不是完备的，由于之前的噪点删除、点的抽稀等操作，会有一部分有用的点也被删除了。所得到的模型是一个不完整的模型，会有一些区域没有闭合，缺少一些曲面。为了弥补这些数据上的缺失，我们要采用一种拟合算法来补充这些缺失。利用Geomagic Studio12的“格网医生”、“填充全部孔”、“填充单个孔”等功能来填补这些孔洞，获得完整的三维模型。

4.     等高线绘制

由于Geomagic Studio12不具有高程自动追踪功能，本文采用AutoCAD2008来实现等高线的绘制。AutoCAD具有功能强大、易于掌握、使用方便、体系结构开放等特点，能够绘制平面图形与三维图形、标注图形尺寸、渲染图形以及打印输出图纸，深受广大工程技术人员的欢迎。AutoCAD 2008可以用来绘制等高线，但是并不具有自动追踪高程的功能，然而通过载入实验室编写的AutoCAD 2008插件，可以实现高程的自动追踪功能从而自动绘制等高线。

等高线绘制流程如下：

1） 利用AutoCAD 2008软件读取Geomagic Studio12处理过后的沙盘点云数据；

2）  用高程自动追踪功能追踪所有高程相等的点。追踪完成后会生成初始等高线，；

    

     图5 初始等高线                       图6等高线成果

从图5可知，初始等高线存在相交等错误情况，需要进一步修正。但是由于点的数量很密集，涵盖的地形地貌的信息很广泛，自动生成的等高线精度很高，出现等高线相交的地方很少。

3）人工调整相交的等高线至正确位置，此时的结果就可以作为地形图的等高线。最等高线成果如图6所示。根据需要设定不同的等高距。可以获得不同的等高线地形图。如图 7所示是等高距设置为0.3和0.5时的等高线图。

                                                                 

图7 不同等高距等高线图

5.     结束语

本文提出一种新的等高线绘制方法，先利用三维激光扫描仪利获取地形地貌的点云数据，然后利用Geomagic Studio2012初步处理点云数据；最后利用高程自动追踪的方法实现等高线的自动绘制。这套作业流程可以有效减少野外地形地貌数据获取的劳动强度，提高地形图绘制的工作效率和地形图的绘制精度。

参考文献

[1]    翟翊, 赵夫来, 郝向阳, 等. 现代测量学[M]. 北京: 测绘出版社, 2008.

[2]    孙青云, 杨福平, 徐立猛. 一种基于航片DEM 快速绘制等高线的方法研究[J]. 科技信息,2010(27):54-62.

[3]    任彤, 吴昱樨. 地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用[J]. 海河水利, 2016(1):54-58.