基于三维激光扫描数据的大比例地形图制作 测绘工程 廖中平 (2).doc

基于三维激光扫描数据的大比例地形图的制作基于三维激光扫描数据的大比例地形图制作摘要在科学技术飞速发展的21世纪，地理信息系统也随之蓬勃发展。在测绘地理信息领域，三维激光扫描技术被称之为继“GPS技术以来的测绘领域的又一次技术革命”它突破了传统测量的单点测量方法，能够快速便捷地大量扫描点云数据。并且扫描的云数据具有数据精度高、全数字化、自动化处理程度高等特点。传统测量方法制作大比例地形图一般分为两个大的步骤；步骤一利用全站仪等测量仪器进行单点测绘得到野外数据；并及时绘制野外地形图草图。步骤二是将野外数据导入绘图软件如AUTOCAD进行点线面的绘制、地貌标注、等高线生成等工作，最后打印输出大比例地形图。本文首先对三维激光扫描系统做了简单的介绍，主要包括三维激光扫描的基本原理和组成部分。并基于此介绍瑞士徕卡测量公司生成的Cyclone C10三维激光扫描仪的功能及功能模块；然后介绍利用Cyclone C10地面激光扫描仪扫描数据并对数据进行处理的步骤与原理；最后结合AUTOCAD绘图软件生成大比例地形图。本文对比了三维激光扫描数据生成大比例地形图和传统测量手段生成大比例地形图的优缺点，认为利用三维激光扫描仪能够在时间较短、效率较高、精度较高的情况下生成地形图。关键词：三维激光扫描；点云数据处理；大比例地形图BAESD ON 3D LASER SCANNING DATA OF THE PRODUCTION OF LARGE SCALE TOPOGRAPHIC MAPABSTRACTIn the rapid development of science and technology in the 21st century, the geographic information system has been booming .In the field of surveying and mapping geographic information, 3 d laser scanning technology is referred to as the since the GPS technology in the field of surveying and mapping is a technology revolution it breaks through the traditional measurement of single point measurement, can quickly get a large number of scanning point cloud data conveniently .And scan the cloud data with high precision, fully digital, high automation degree, etc.Traditional measurement method to make large scale topographic map generally fall into two major steps ;Step one by using total station measuring instrument such as a single point of surveying and mapping field data; Sketch map and timely field. Step two is to field data import to point on the surface of the line drawing software such as AUTOCAD drawing, geomorphic annotation, contour generation, etc, the last print large scale topographic map.At first, the paper gives a brief introduction of 3D laser scanning system, mainly including the basic principle of 3D laser scanning and part.And based on this the Switzerland Leica Geosystems company generated cyclone C10 3D laser scanner and function module. Then the cyclone C10 terrestrial laser scanning data and the data processing of the steps and principles; finally, based on the AutoCAD drawing software to generate a large scale topographic map.In contrast with the 3D laser scanning data generated large scale topographic maps and the traditional measurement methods advantages and disadvantages of large scale topographic map generation, believes that the use of 3D laser scanner in short time, high efficiency, high precision to generate topographic maps.Key words:3D laser scanning; point cloud data; large scale topographicmap 目录1 绪 论11.1选题依据及研究目的11.2国内外研究现状21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状31.2.3三维激光扫描技术发展趋势31.3基于三维激光扫描技术在大比例地形图制作的应用32 三维激光扫描技术系统简介62.1三维激光扫描技术的基本原理及组成部分62.2瑞士leica C10激光扫描仪介绍62.3后处理软件cyclone功能介绍及工作模块823.1徕卡Cyclone后处理软件功能介绍82.3.2徕卡Cyclone软件的工作模块93 三维激光扫描方法及数据处理103.1选址及前期准备工作103.2点云数据获取及预处理103.3点云数据匹配、去噪等操作113.3.1点云数据匹配113.3.2点云数据去噪143.3.2.1 数字高程建模中TIN中Mesh介绍143.3.2 .2 Mesh格网生成流程介绍153.3.2.3手动去噪介绍183.4利用Cyclone后处理软件和AutoCAD软件制作大比例地形图234 结 语264.1三维激光扫描技术的制作大比例地形图的一些总结264.2 基于此设计存在的问题和建议275参考文献28致 谢30第 33 页 共 30 页1 绪 论1.1选题依据及研究目的我们知道在工程建造施工和自然资源开发利用中，在规划、勘测设计、施工和运营管理各个阶段都需要借助地形图来辅助。传统地形图测绘方式是利用水准仪、经纬仪、全站仪、GNSS接收机等仪器设备对某测区内有限个点数信息进行采集同时人工绘制标注测点点号的草图，再由人工按照草图通过AutoCAD等制图软件处理，经人工初步处理再由计算机编辑修改，最后打印输出地形图。这种传统作业方式外业劳动人员工作强度极大、采集点信息效率较低；特别是对于一些需要在高山峡谷之中，需要在边坡较陡采集点数据时，测量采点难度非常之大；同时也对外业工作人员造成安全隐患。这些因素无不影响成图制图效率和成图效果，从而影响工程施工进度的开展，成为制约国民紧急发展的关键因素。三维激光扫描技术起步于上个世纪80年代，在21世纪初得到了飞速发展；被称之为继“GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”它突破了传统测量的单点测量方法，具有测量扫描效率高、扫面点云数据精度高、点云数据自动化处理程度高的独到优势，因此在地理信息技术领域又称之为“实景复制技术”【1】 。近年来，三维激光扫描技术已成为国际的新兴的高新技术。三维激光扫描系统主要包括了激光扫描系统、数码相机、相关软件及附属设备【2】。其特点有测量精度高、全数字化、测量方式灵活、不需要接触测量区域就可以获取数据、扫描测量点云数据量大等。并且三维数据经可视化后可以获取三维激光扫描点云图像。因此，在地形复杂，危险测量区域，如悬崖、陡壁、高山峡谷等作业人员难以到达的区域，使用传统测量方法无法有效开展测量成图工作时；利用无接触测量方法是解决问题可行有效的方法。基于三维激光扫描技术测量制作地形图具有测量速度快，测量精度高，在地形复杂测区具有非常大的优势【3】。将三维激光扫描技术用于测量成图实践生产中，对施工建设具有非常重大的现实意义；尤其是在我国大力发展国民经济的今天，充分利用三维激光扫描高新技术便捷性、精准、安全测图出图对工程建设和自然资源开发保护等具有十分重大的意义和深远影响。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在21世纪地理信息技术发展迅猛的今天，三维激光扫描技术作为精确、快速获取空间信息的工具已经得到广泛的认同和运用。随着测绘科学技术的飞速发展，工程测量技术也发生了深刻的改变，在工程施工领域取得长足持续的发展。三维激光扫描技术在测绘领域的运用非常广泛；利用地面三维激光扫描仪扫描点云数据并基于CAD等制图软件绘制大比例尺地形图也逐渐在测量施工中广泛使用【4】。扫描获取的点云数据经过预处理可直接生成接近现实地形地貌的三维数字模型；并在此基础上可以自动生产等高线。具有一次扫描测量，能够获得多种多样的海量点云数据；根据实际工程情况需要我们可以提取二维、三维点云数据；甚至现场的影像图也可以提取保存供后续施工管理工作作参考。三维激光扫描技术与传统测量手段相比较具有如下优点：扫描点云数据精度极高、扫描作业效率高、点云数据内容丰富、成果输出多种多样、扫描仪操作趋向简单傻瓜式操作，便于作业、数据兼容性强等【5】。目前国际比较成熟的系统有瑞士leica公司的ALS50、瑞典的TopoEyeAB公司的TopEye产品、法国Toposys公司的Falcon以及加拿大的Optech生产的ATLM以及德国IGI公司生产的LiteMapper等。而在全世界范围内，最为突出的当属于徕卡HDS（High-Definition Surveying）高清晰测量三维激光扫描技术系统。其最新产品徕卡C10将扫描仪、控制器、数据存储、电池等硬件高度一体化集成。徕卡C10不仅可以机载扫描也可以实现无线扫描；可用手机控制外业，确保危险扫描环境里，工作人员也能安全快速、高效的扫描作业从而获取所需点云数据。徕卡 Cyclone后处理软件具有非常强大的处理功能集合。主要包含有：数据扫描模块、大规模数据管理模块、数据拼接模块、坐标系转换模块、海量数据浏览模块、模型制作、绘图、检测报告和成果输出等模块【6】。法国MENSI公司是国际上最先研究拥有三维激光扫描技术的机构之一，通过高质量的整合激光技术、传感技术、分别研发中距三维激光扫描系统和圆锯三维激光扫描系统；能够保证空间扫描点云数据的均匀精度与密度远距三维激光扫描系统MENSI-GS 200在100m实测精度达2.5mm,加拿大Optech公司生产的ILRIS-3D包括一台完整的、便携式激光影像扫描仪和数字化测图系统，可以用于商业、工程、采矿和工业市场。系统主要由高度集成化的数字影像获取和后处理软件组成。ILRIS-3D携带便捷，总体大小与全站仪差不多，配备600万像素的数码相机和可搭配大型LCD监视器，采样率最高可达到1500米最小可值3米；搭配激光工业水平检测器、目标定位器和采矿设备等，能够在野外条件较差的情况下，快速安全、精准获取点云数据。1.2.2国内研究现状国内关于三维激光扫描技术系统的应用起步相对较晚，但发展也非常迅速；从最开始的集中在科研单位和高校研究到现在国内主流测绘厂商也开始生产三维激光扫描仪。但是数据处理主要还是集中在DEM(数字高程模型)/DSM（数字表面模型）构建上，或者点云数据与影像的预处理。武汉大学李清泉教授等开发研制的地面激光扫描测量系统就主要用于堆积测量和城市数据采集【7】。科研机构中武汉大学自主研发的“LD激光自动扫描系统”是一个多传感器集成的自动化测量系统，能够通过扫描采取目标的二维断面数据，实时传感器获取运行速度，通过数据匹配处理能够获取目标的表面姿态。国内产商比如广州中海达卫星导航技术股份有限公司旗下的武汉海达数云子公司开始生产I-scan机载三维激光扫描仪、姿态系统、三维激光摄像、采集和处理软件等并投入市场，在市场上取得良好口碑；在2013年推出国内第一台具有完全自主知识产权的高精度地面三维激光扫描仪LS300。LS300采用的I级安全激光、智能化操作；具备远距离的扫描测量，能够高效采集点云数据。第二代产品HS450更是具备测量频点最高可达300 000点/秒，可利用无标靶智能自动化拼接技术，可外接GPS扩展等特点【8】。1.2.3三维激光扫描技术发展趋势三维激光扫描技术与传统测量手段相比较，在制作大比例尺地形图上的优势十分明显。例如可快速时实、主动、批量获取具有精度高的三维数据等。随着国民经济和测绘科学技术的飞速发展，三维激光扫描技术的应用前景非常不错。目前三维激光扫描技术系统在获取中长距离点云数据云数据影像方面取得了突破性进展。三维激光扫描技术在测绘科学领域的应用和发展将进一步拓宽和加深。基于三维激光扫描技术制作大比例地形图服务于城市规划和管理、国土资源规划和管理；工程施工建设与管理；能有效的减少外业数据采集的时间，节省人力物力，并且在后续内业处理过程也极为便捷快速；能够有效地降低测绘工作者的劳动强度，节省单位支出【9】。这对国民经济可持续发展具有十分重大的意义。1.3基于三维激光扫描技术在大比例地形图制作的应用大比例地形图一般是指比例尺在1:5001:5000和1:10000之间的地形图。其中1：500的地形图主要用于工程施工阶段各详细设计图、竣工图；1:1000主要用于城市详细规划、管理和较大型工程项目的施工图设计等。1:2000主要使用于城市规划和工程项目的初步设计阶段的规划图纸；1:5000和1:10000则主要用于城市范围的基本图如城市总体规划、区域位置、超大型厂址规划等【10】。传统制作大比例地形图的一般分为两个大步骤；步骤一利用全站仪、经纬仪、水准仪等单点测绘得到野外数据；并及时绘制野外草图，供内业数据处理参考。步骤二是在获取野外数据之后，通过将数据导入到计算机中，利用绘图软件如Autocad等进行点线面的绘制，地貌标注，地物地形的绘制，DEM等高线生成，图形整饰等工作，最后打印输出大比例地形图。地面三维激光扫描技术在大比例尺地形图的应用主要包括工程测量中的地形图测绘，矿产资源开发和保护大坝及建筑物的变形监测，地质灾害监测与防护等【11】。而近十几年来兴起的基于三维激光扫描技术制作大比例尺地形图技术突破了传统测绘地形图外业内业步骤繁琐，工作量巨大的缺陷；能够简化工作流程，实现数字测图，实时校准，实时查看成图效果。三维激光扫描技术能够将传统单点采集数据转化为批量采集点位的三维坐标直接生成三维立体模型；可以这么说，三维激光扫描技术测绘地形图在保证测量精度要求的同时，能够很明显提高测绘工作效率，对国民经济有促进意义【8】。此次设计的技术方案流程图如下： 图1.1 技术方案流程图2 三维激光扫描技术系统简介2.1三维激光扫描技术的基本原理及组成部分 三维激光扫描仪的构造大同小异，其构造原理基本都是类似的。三维激光扫描仪主要构造包括一台高速精确的激光测距仪，加上一组可以引导激光束并能够以均匀的角速度扫描的反射棱镜。地面激光三维扫描系统主要包括激光扫描系统、激光测距系统、集成数码相机、仪器校正系统等。就激光测距原理而言，目前主要包括基于相位差的测距法、脉冲测距法和激光三角测距法三种。一般基于相位差原理的三维激光扫描仪测定距离较短，只有100米左右。而基于脉冲式原理的三维激光扫描仪测程则较长，测程最远的可达5-6公里。所以根据TOF的脉冲测距法目前已经广泛应用于测绘工程技术的各个领域。其中，激光测距仪主动发射激光，同时接受自然地物表面反射的信号从而进行测距；针对每一个扫描的点，都可以测得测站到扫描点的斜距，再加上扫描点相对于测站的竖直方向和水平方向，就可以解算出每个扫描点相对测站的三维坐标【12】。解算出扫描点云相对于测站坐标的的相对位置，还需要将点云坐标转换到测站坐标系下的空间三维坐标系。然而，在实际作业情况下，通常我们需要连续测量好几个测站才能扫描完所需点云数据，每个测站的点云数据都相对于同一测站都会有不同的转换参数；因此，需要对扫描的点云数据进行拼接，使其成为一个统一的点云数据。点云数据拼接的关键在于扫描的标靶的精度。在获取大批量的点云数据之后还需要单独测量某几个标靶用于点云数据拼接和控制坐标转换的精度。一般为了保证扫描精度，扫描仪会以极高的精度极高的密度扫描标靶，用以实现传统单点测量的作用【13】。此设计中采用黑白圆形标靶，在设计书数据采集章节有详细介绍。利用黑白标靶进行拼接，将不同测站扫描的点云数据统一至某一特定测站坐标系里。测站坐标可以利用GNSS接收机测量获得。2.2瑞士leica C10激光扫描仪介绍徕卡测量系统提出的“i”概念给三维激光扫描技术带来时尚讯息；徕卡C10能够组合iPhone手机或平板电脑支持独特、新颖的无线遥控操作方案。可以支持外置相机功能，也可以使用徕卡Scan Station C10内置400万像素的数码相机，保证客户在获取点云数据的同时拍取照片，用以后期对点云数据的纹理匹配；同时C10也支持外置高像素相机拍照功能，能够满足不同客户需求。徕卡高精度三维激光扫描仪如下图： 图2.1 徕卡高精度三维激光扫描仪C10除此之外，徕卡测量公司赋予C10高精度三维激光扫描仪独特全新的六大创新特性，能够满足用户多种多样的需求。六大创新特性如下：（1）扫描视场角大、距离远、可以胜任更过更广的扫描应用领域。（2）高效低噪音的脉冲激光，减少外业工作时间，能够提供测量级别的扫描距离和单点精度。（3）提供多种设站方法，快速定向，已知方位角，导线测量以及后方交会，便于现场扫描数据快速、精确拼接。（4）支持室内，室外扫描，可机载扫描也可用手机无线控制扫描。（5）可架设GPS接收机以及棱镜，联合传统测量设备优化作业模式。（6）数据存储一体化，电源系统一体化工业级别设计。徕卡C10高精度三维激光扫描仪采用脉冲式扫描方式；扫描距离最远可达300米最近可至1米；同时每50米距离扫描的模型精度可达2mm；扫描速度最高可达50000点每秒；扫描的视场角为水平方向360度竖直方向可达270度；采用双轴倾斜补偿器。C10高精度扫描仪的这些设计特点能够使其具有十分强大的功能。总结有五大特点如下：（1）实时摄像系统，可实时多倍率缩放-快速准备选择扫描范围，快速采集标靶数据。（2）高分辨率数码影像-内置全制动高分辨率数码摄像机，提供点云色彩渲染材质。（3）彩色屏幕-方便现场操作，提高现场数据采集的质量控制，便于现场扫描检查。（4）三维标靶浏览功能-确保点云数据拼接和坐标转换的质量。（5）功能图标，简学易用-徕卡机载固件提高仪器在线管理能力，缩短仪器初始化时间，严格控制野外扫描流程，确保扫描质量。2.3后处理软件cyclone功能介绍及工作模块23.1徕卡Cyclone后处理软件功能介绍徕卡测量公司生产的 Cyclone后处理软件是三维激光扫描领域内的主流软件系统，Cyclone后处理软件主要处理徕卡高精度扫描仪扫描的点云数据。Cyclone后处理软件处理的点云数据主要用于工程测量、绘制地形图、以及各类三维空间建模等。徕卡Cyclone三维数据处理软件的主要特点包括：（1）可输出二维或三维图，线画图，点云图，三维模型（2）可控制LEICA扫描仪完成点云数据采集（3）自动扫描测量标靶（4）设置照相机曝光和分辨率（5）数据采集批处理功能（6）依据标靶或/和点云实现点云拼接（7）数据分块处理和管理功能（8）海量数据管理（可支持10亿点以上的数据管理）（9）根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管、法兰（10）实现三维管道设计（11）自动构网和生成等高线（12）用Cloud Worx模块可在AutoCAD或Micro Station中处理点云数据（13）可以输出DXF,PTX,PTS,TXT等多种数据格式2.3.2徕卡Cyclone软件的工作模块Leica Cyclone软件模块为点云使用者提供了最宽泛的作业流程选择设置，以便用于工程、测量、结构及相关应用的三维激光扫描中。该软件由 5 个程序包组成。表2.1 Cyclone后处理软件程序包说明Cyclone SCANCyclone REGISTERCyclone SURVEYCyclone MODELCyclone PUBLISHER用户通过该模块控制扫描仪用户通过该模块将多站扫描的数据合并成有地理参考信息的点云用户通过该模块可对点云做一些基础的提取和量测功能用户通过该模块可以充分利用 Cyclone的功能。 用户可从点云中提取和量测特征点用以创建三维模型用户可发布点云成一个全景视图的浏览格式，可放到网页上。 用户可以使用 IE 浏览器的插件 Leica TruView 来浏览数据3 三维激光扫描方法及数据处理3.1选址及前期准备工作此次毕业设计是利用三维激光扫描技术制作大比例尺地形图，选址也就需要非常具有代表性的地方。此次选择扫描地址是长沙理工大学云塘校区里国际学术交流中心与办公楼旁边的一个小土坡。该土坡高程目测有12米高，地形起伏不断，且其植被较多，如果采用传统全站仪测量采点制作地形图，外业工作量大概需要一整天时间，且需要连续迁移四到五个站点，需要两到三人才能完成外业工作，工作量较大，且不能保证地形起伏较大的地区的测量精度和测量密度，能够体现传统测量在地形起伏较大或者测量人员不方便到达的地区测图的明显不足。在采集数据之前，集中学习了关于徕卡C10高精度扫描仪的操作流程；徕卡C10采用简洁的中文界面，用户操作体验非常简单便捷。在进行外业的时候，只需要架设好站点；待所有参数正确设置成功，就可以扫描三维点云数据。扫描此站完成，继续迁移到下一个站点，继续扫描，C10扫描仪会默认上次扫描设置的参数，无需重复设置参数。徕卡测量公司已经开发的球形标靶和平面标靶用于点云拼接。此次试验采用黑白平面标靶，黑白标靶的平面中心可以通过建模后代表着三维球形标靶的中心顶点。利用黑白标靶可以将多个不同的扫描点云拼接在相同的测站坐标系下【14】。黑白标靶如图：图3.1 黑白标靶3.2点云数据获取及预处理此次利用C10高精度三维扫描仪进行数据采集时，受到测量区域地形和建筑物的影响，需要架设俩次站点。第一次架设站点是在距离土坡十五米远旁边一草地上，设置参数采用360度平面全角和270度竖直角扫描测区数据。待扫描完数据之后；又对黑白标靶进行高精度和高密度采集。第二次架设站点是在土坡上，设置相同参数继续360平面全角和270度竖直角全景扫描。由于利用不同位置，不同视角进行布设站点扫描点云数据【15】。而不同站点、不同视角采集的点云数据就将会涉及到点云数据的拼接问题。也就是不同坐标参考系之间的转换问题，点云数据通过平移、旋转或者缩放等操作才能转换到同一坐标系参考系之中去【16】。但是由于扫描误差和平移、变换等操作误差也会使得点云数据在拼接过程产生小部分点数据的重叠；需要对重叠数据的进行融合处理。同时，由于测区有树木遮挡会造成扫描点云数据的部分缺少和突变，也需要对这些异常数据进行修复工作即去噪工作。大量的点云数据存储也会涉及到数据压缩问题。在下面的章节里会逐步介绍点云数据拼接、匹配、数据压缩、曲面拟合等方法与步骤【17】。3.3点云数据匹配、去噪等操作3.3.1点云数据匹配此次点云数据获取目标是位于长沙理工大学云塘校区国际交流中心后面的小土坡。土坡开阔，有明显起伏，土坡上部分植被较为稀疏，只有少量种植树；然而在小土坡山脚植被较多，能够形成对比。在扫描数据的时候，为了保证数据有效可靠，进行了两次测站扫描过程。每个扫描过程产生的数据称之为ScanWorld。点云数据的拼接是指将俩个或者俩个以上的不同测站的扫描空间拼接到一起，使其称为具有统一坐标系统的扫描空间，也就是配准过程，拼接过程不限制扫描空间的个数可以对任意多的扫描空间进行操作。在把俩个或多个不同的ScanWorld拼接在一起，会默认或指定其中的某一个测站的独立扫描仪的位置和方向作为初始坐标系统。此坐标系统我们称为Home ScanWorld，Home ScanWorld可以是任意原始的ScanWorld也可以是导入的测量文件。通过约束条件旋转到相应的方向的坐标轴中去，每个ScanWorld的内部结构，以及每个扫描空间内部点云数据的相对位置并没有发生改变，只是相对于其他的ScanWorld的位置有了改变，整体移动至某一参考坐标系统下。配准流程：（1）新建文件夹，用于存放生成的点云拼接数据（2）在此文件夹下创建拼接项目：具体操作点击Create按钮，选择Registration右键即可。如图： 图3.2 创建拼接项目（3）重新命名拼接窗口：在文件夹下子目录里重命名为“Registration of SW1&SW2”如图： 图3.3 重命名拼接窗口拼接过程可以添加约束条件，当这个命令被调用时，会在每个的扫描空间里寻找到相同的拼接对象，此次设计采用的是黑白标靶，设置好标靶拼接对象误差限制即可。拼接视图窗口。如图：图3.4 不同测站拼接（4）创建新的点云空间用于点云数据切割保留需要子集点云：可Copy至新的窗口形成新的ModelSpace；也可通过Tool里的Fence工具截取需要的Modelspace。如图： 图3.5 截取新的Modelspace而打开截取的点云数据窗口，如图： 图3.6 截取的点云数据效果3.3.2点云数据去噪点云数据去噪又可称为点云数据过滤；此过程我们需要去除掉干扰数据、不可靠数据包括飞点、过密植被点、房屋、电线、树木等。这些数据的剔除效果会直接影响地面三维模型的生成效果，因此去噪过程在三维激光扫描技术生成大比例地形图的研究一直是重点。利用徕卡Cyclone 软件可以实现去噪，抽稀，过滤等步骤。在将点云数据利用Cyclone软件进行Database数据库的建立、Modelspace模型空间的建立之后得到的数据有很多噪点，飞点等干扰数据；我们需要利用Cyclone软件对可以点云数据进行去噪、抽稀等处理工作；从而使试验数据能够满足制作大比例地形图要求。接下来将会分步骤简单介绍去噪处理的一些流程和存在问题的解决方案。3.3.2.1 数字高程建模中TIN中Mesh介绍数字地形建模过程中，不规则三角网（TINTriangulated IrregularNetwork）能按地形特征点表示数字高程特征【11】。与格网数据模型相比，TIN模型能用更少的空间来表示更为复杂的地形表面；即三角网模型能够保证精度的同时又保证处理效率和速度。这个特点能够有利于处理地面三维激光扫描所得的海量点云数据；这也是为什么在Cyclone软件处理此次试验数据过程利用TIN模型的原因【18】。3.3.2 .2 Mesh格网生成流程介绍在大比例地形图制作过程中，利用地面三维激光扫描技术采集的点云数据的密度远远高于常规全站仪等测量手段所采集的数据。因此需要对采集的点云数据进行稀释处理，减少点云的数目，在不影响制图精度的前提下尽可能地提高Cyclone软件运行速度。其具体流程如下：（1）导入点云数据，框选截取需要制作地形图的数据并另建新的Modelspace。具体操作open点云数据，选择矩形框选工具，截取需要的点云数据，右键点击copy Fenced to new Modelspace；效果如图： 图3.7 截取的点云数据效果（2）在新建的Modelspace里打开数据并全选数据并抽稀；具体操作流程是：点击selection按钮，选择select all；点击tools按钮选择mesh右键选择create mesh ，在三种mesh模型下选取TIN mesh模型；如图： 图3.8 网格模型界面Mesh之后的效果图如下：图3.9 mesh完成效果在mesh之后点击view查看可以发现每个单元数据都是由一个三角片构成，具体操作：view-layers-右键view as 选择selected object-右键选择wire frame-点击apply运用。三角网查看如下图：图3.10 三角网格视图从TIN模型mesh之后可以看出许多三角片具有一些顶角突出来，结合当地地形分析，明显可知这是由土坡上树木也被扫描进去导致软件在自动选择高程点时凸出来形成的顶角效果。这些突兀的点云数据在mesh之前，必须进行剔除工作，来保证后续生成等高线的效果。同时，从上述的效果图中，我们可以观察到，三角网格顶点非常之多，这说明扫描点云数据的密度非常密，过密的三角网格还需要进行抽稀处理。抽稀的具体操作流程是：点击selection按钮，选择select all；点击tools按钮选择mesh右键选择decimate mesh；在弹出的界面里选择抽稀十分之一，原来的三角片会稀释成的百分之十，点击decimate按钮，待稀释完成，点击ok按钮。稀释的操作界面如图3.11。其中original Number是指原有的三角片数目为70220，target Number是指抽稀之后应该存在的三角片的数目，数目为7022，刚好是原来的十分之一。图3.11 抽稀mesh操作界面3.3.2.3手动去噪介绍地面三维激光扫描仪扫描原理是利用非接触的、高速、测时测距的激光测量原理。只要是被激光扫描到，并且反射回来接受到信号的任何点云数据都会存储在点云数据库里。这也就导致扫描的点云数据库里有很多点云数据是多余的，甚至是错误的点云数据也会存在。多余的点云数据会加重软件后期运行处理速度的负载，加大工作量，降低生产效率；而一些错误的点云数据的存在会影响到地形图的精度。怎么把相关的干扰数据、不可靠数据包括飞点、过密植被点、房屋、电线、树木等点云数据通过Cyclone后处理软件结合现场地形去掉是接下来将要阐述的内容。在进行点云数据的三角网TIN mesh模型生成之后，并对TIN模型的点云数据进行抽稀十分之一处理；然后尝试生成等高线。得到的模型效果图如下： 图3.12 粗略去噪生产等高线效果从图3.12 可以看出mesh之后生成的等高线杂乱无章，具有很多噪点存在，导致成图效果非常差。此时，我们需要对噪声点数据进行剔除处理。利用Cyclone后处理软件的多边形框选工具Fenced需要剔除的点云数据。具体操作流程为：多边形工具框选噪声点数据-右键Fenced-选择Delete Fenced inside-点击ok确定。旋转视图结合试验场地地形继续剔除噪声点数据，此时主要剔除的是凸出的树木点、灌木等噪声点云数据。利用不同视角可以看到如图红色框里的树木形成的噪声点云数据。需要将这些多余数据剔除干净。如图： 图3.13 框选出树木形成的噪声点云数据需要将扫描进来的树木点云数据利用不同视角在根部位置剔除掉。重复上述步骤，可以基本剔除很明显的噪声点数据；此时我们尝试生成等高线效果图如图3.14 。从图3.14我们可以看出，此时的等高线曲线已经较为流畅、并且整体效果具有较好的势性。只有少部分的等高线还需要进行小范围内剔除少量噪声点数据。 图3.14剔除大部分噪声点生产等高线效果在图层Layers里选择selectable/visible选择框 里将点云数据 point cloud 和mesh框选勾去掉，点击ok。如图： 图3.15 去掉勾选点云数据和mesh模型界面去掉点云point cloud 和mesh视图之后，选择其中一条等高线计曲线，也就是其中的一条基本等高线；得到的效果图如下： 图3.16 选取其中的一条等高线 使用放大工具条将这条等高线放大至如图3.19，从效果图红色圆圈内我们可以看出这条等高线附近还存在几个微小的闭合等高线。结合当地地形实际情况，不可能存在在一条计曲线附近还存在另外的等高线。通过观察扫描点云数据形成的点云图，可以发现这些微小的闭合等高线是由于剔除噪声点不彻底造成的。我们需要对这些由于是噪声点数据导致的微小闭合等高线进行手动剔除。具体操作流程：利用多边形框选工具条框选需要剔除的点云数据-右键选择Fenced选项-选择Delete Inside-点击ok。剔除完成得到的效果如图3.20。对比的效果图有手动去噪之前图3.17手工剔除噪声点的效果图如图3.18。对比效果图，可以得出，手工剔除能很好的保证等高线的势性【19】。 图3.17 未剔除微小闭合等高线 图3.18 剔除微小闭合等高线 图3.1 9放大的其中一条等高线图3.20 剔除微小闭合等高线效果图 关于等高线的选择补充如下：每俩条计曲线之间选择5条基本等高线，也就是首曲线意味着每隔1米一条等高线。可以选择等高线的X轴Y轴Z轴的最大和最小范围，也可以不选，依实际情况而定。勾选上Lable Contours选项框，将会为每条等高线标注等高线海拔。由于此次试验采用的随机设站，在这里选择当地坐标系统。所有的参数设置成功，点击OK即可。操作界面如图：图3.21 等高线设置操作界面3.4利用Cyclone后处理软件和AutoCAD软件制作大比例地形图此次设计制作的是比例尺为1:500大比例地形图。经由Cyclone后处理软件对采集的点云数据进行预处理、建模、匹配、抽稀、去噪等工作；根据模型可自动生成等高线。利用contours parameter tools生成的等高线效果图如图3.22。将数据从Cyclone后处理软件导出，另存格式为.dxf；方便后续利用CAD软件绘制1:500地形图。基于CAD平台南方CASS绘制的地形图如图3.23图3.22 经Cyclone处理生产等高线效果图图3.23经南方CASS展高程点云生成等高线效果图对比经由Cyclone后处理软件生成等高线效果图和CASS展高程点云生成等高线效果图，可以发现两种方法都可以满足大比例尺地形图等高线的精度；但是由Cyclone后处理软件自动生成等高线的势性更好，流畅明显，也说明精度较高。经CASS展高程点云生成等高线在点云数据较为稀疏的地方精度非常高，在点云数据密集，有可能是去噪过程还残留少量的噪声点数据，导致会形成等高线的流畅性较差。两者对比，可以很明确的得出，基于三维激光扫描技术制作大比例地形图的能够做到地形图精度满足要求、效率较快。这将对传统测量手段制作大比例地形图产生冲击，促进测量制图的发展。4 结 语4.1三维激光扫描技术的制作大比例地形图的一些总结随着科学技术的飞速发展，测绘地理信息技术研究的也进一步拓深；如今智慧城市、数字城市正逐渐进入人们的视野，地理信息产业将有一个爆发期。然而传统测量手段能够保证成图精度，但是由于这些手段都是单点测绘，采集效率较低，在测量工作人员不能到达的测量区域采集点数据较为困难。传统地形图测绘方式是利用水准仪、经纬仪、全站仪、GNSS接收机等仪器设备对某测区内有限个点数信息进行采集同时人工绘制标注测点点号的草图，再由人工按照草图通过AutoCAD等制图软件处理，最终生成数字地形图。这种传统作业方式外业劳动人员工作强度极大、采集点信息效率较低；特别是对于一些需要在高山峡谷之中，需要在边坡较陡采集点数据时，测量采点难度非常之大；同时也对外业工作人员造成安全隐患。这些因素无不影响成图制图效率和成图效果，从而影响工程施工进度的开展【20】。 通过此次设计可以得出以下结论：(1) 基于三维激光扫描技术结合CAD等软件制作大比例地形图与传统测绘手段比较有非常明显的优势。基于Cyclone后处理软件制作的等高线更加符合实际的地形地貌状况，能够更加真实的反应地形起伏变化情况。但CAD生成的地形图的线性比较流畅美观，使用的数据也是经由Cyclone后处理软件处理过的数据，能够方便数据格式的转化和地形图出图。因此，此设计把两种软件的优势都结合在一起，利用Cyclone后处理软件进行数据处理和建模等，利用CAD软件进行等高线的修饰和地图要素的添加；最终高效率地生成某土坡1:500的地形图。(2) 经过此设计可以发现基于地面三维激光扫描仪可以快速获取精度相对较高、空间分布均匀、点云密度较大、具有三维坐标数据的点云数据。相对于传统测量手段具有投入时间少、精力小、效率高、成图质量较高等特点。并且基于三维激光扫描仪扫描的点云数据生成的地形图能够更加符合地形地貌的实际情况；在地形险峻、复杂的测量区域使用三维激光扫描技术快速获取大比例地形图能够很好的保证工作人员安全。(3) 三维激光扫描仪外业采集数据极为方便、快捷，能够大大的缩短外业作业时间，减低外业测量人员的工作强度，提高外业作业效率。并且Cyclone后处理软件具有高度的自动化处理功能，能够批量处理海量的点云数据，能够自动生成等高线，内业处理工作极为轻松。因此可以肯定基于三维激光扫描技术结合CAD绘制大比例地形图将有广阔的运用空间和极大的市场需求，将会对传统测绘形成冲击，称为地理信息领域的又一次技术革命。4.2 基于此设计存在的问题和建议（1）此次设计利用徕卡测量公司的Cyclone C10激光扫描仪扫描点云数据过程中，由于地貌上的树木、灌木、草丛等也会被扫描进去，存储在点云数据库里。在后续处理过程需要对其进行剔除，这些多余数据会对地形图产生影响，如果将传统测量手段如全站仪、GNSS和地面三维激光扫描仪配合使用，能够更好的保证地形图的精度；能够更好地为施工生产提供精确的地形图【21】。（2） 地面三维激光扫描仪利用的是激光反射传输点云数据，因此如何反射有效距离来过滤点云数据，采集数据将会更加方便，采集的点云数据的噪声点数据将会大大减少。（3）海量的点云数据在经过抽稀、去噪等操作后形成的地形图