基于三维激光扫描技术地形测量一体化应用研究

1、基于三维激光扫描技术的地形测量一体化应用研究Changan University -2-摘要三维激光扫描技术是一门新兴的技术，是继GPS技术之后出现的又一次技术革命。三维激光扫描技术具有传统测量手段所不具有的优点：无需事先埋设监测点、无需接触被测地形、测量精度高、测量速度快，快速获取高精度、高密度的三维点云数据。本文首先介绍了现阶段应用于地形测量中的几种技术方法及其原理，其次介绍了点云数据的采集过程，主要研究了三维激光扫描仪应用于地形测量中的数据扫描获取的过程及后续数据的预处理，数学建模和绘制地形图。应用三维激光扫描技术进行地形测量一体化是数字测图的一项新的研究内容，结合对西安灞桥某滑坡地形扫

2、描得到的点云数据进行实验处理与分析，探讨了该理论方法的技术体系，取得了预期的效果。 目录 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 数字测图技术的发展数字测图技术的发展 第三章第三章 地形测量一体化中三维激光扫描数据采集地形测量一体化中三维激光扫描数据采集 第四章第四章 点云数据的处理及数学建模点云数据的处理及数学建模 第五章第五章 三维激光扫描技术在某地形测量一体化中三维激光扫描技术在某地形测量一体化中 的应用的应用 结论与展望结论与展望-3- 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义对地形测量，常用的技术方法是全站仪测图，GPS-RTK测量，摄影测量等。三维激光扫描技术作为

3、一个全新的测量技术，应用到地形测量一体化中，探索其在该领域中的应用方法与理论，将具有一定的现实意义。 1.2 三维激光扫描技术国内外研究现状三维激光扫描技术国内外研究现状国外对此技术的起步较早并且比较成熟。一些发达国家已将三维激光扫描技术广泛应用到各个行业，如变形监测、滑坡沉降监测、建筑物快速建模、道路设计、文物修复、地形测量等。国内起步虽然较晚但也取得了一定的成果：武汉大学自主研制的“LD激光自动扫描测量系统”；北京天远科技有限公司自主生产的天远OKIO系列地面三维激光扫描仪等。-4- 第一章第一章 绪论绪论 1.3 三维激光扫描技术在地形测量应用中的研究现状三维激光扫描技术在地形测量应用中

4、的研究现状在国内外，很多的地形测量一体化实例中都应用到三维激光扫描技术。如2011年3月11日，日本海域发生里氏9.0级大地震并引发海啸，日本相关部门利用三维激光扫描仪架设在机器运动车上对福岛一号核电厂周围的危险区域进行激光扫描，所获得的灾区地形图资料对于受灾情况的掌控和未来灾区重建有着重要意义。在“512”汶川大地震造成的安县肖家桥、罐滩堰塞湖的地形测量中，三维激光扫描技术发挥了重要的作用，从而能够迅速地为突发地质灾害抢险决策提供地形资料。 1.4 本文主要研究内容本文主要研究内容 论述了三维激光扫描技术的研究背景及意义，三维激光扫描技术在国内外的研究现状以及该技术在地形测量中的应用现状。

5、综述了数字测图技术的各种方法及理论，并对各方法优缺点做了简-5- -6-第一章第一章 绪论绪论 要介绍。 阐述了三维激光扫描的点云数据的来源，地面三维激光扫描仪和机载三维激光扫描仪的工作原理及获取点云数据的方法。 探讨了三维激光扫描地形测量一体化的技术流程，结合实际地形，对扫描得到的点云数据进行实时的预处理（匹配拼接、去噪平滑、抽稀压缩及空洞修复），对重采样后的点云数据进行建模和绘制地形图，并与全站仪所测数据生成的地形图比较分析，进行质量评价，进而分析三维激光扫描技术在地形测量一体化中的可行性和稳定性。Back -7-第二章数字测图技术的发展第二章数字测图技术的发展随着科技不断发展, 测绘技术

6、不断更新，地形测量的方法由传统的平板白纸测图、经纬仪测图等发展到现在的全站仪、GPS实时动态定位(RTK)、数字摄影测量等，近几年，地形测量一体化技术飞速发展，测量领域的高精度仪器越来越多, 三维激光扫描仪就是其中的一种，它的发展更推动了地形测量向高科技立体图形的发展。 第二章数字测图技术的发展第二章数字测图技术的发展 三维激光扫描测量三维激光扫描测量1）三维激光扫描系统的构成 三维激光扫描系统主要由扫描系统、控制系统（计算机）、电源供应系统构成。-8- 第二章数字测图技术的发展第二章数字测图技术的发展2）三维激光扫描系统的工作原理三维激光扫描仪通过扫描系统得到扫描测站点到待测物体表面的任一目

7、标点的距离S，并获得测量瞬间激光脉冲的横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值，进而得到激光角点在物体表面的三维坐标值。 三维激光扫描仪的内部坐标系统 扫描获得的三维坐标 Back-9- 第三章第三章 地形测量一体化中三维地形测量一体化中三维激光扫描数据采集激光扫描数据采集 3.1 地形测量一体化地形测量一体化随着测量仪器的发展和计算机技术的广泛应用，地形测量作业越来越向内外业一体化发展。地形测量一体化可以定义为：外业工作无论采用一种或多种、相同类型或不同类型的测量仪器，通过统一的数据采集格式和内外业数据接口定义，从而使内业工作在外业结束时就能对采集的数据进行处理和生成地形图。-10- 第三章第

8、三章 地形测量一体化中三维地形测量一体化中三维激光扫描数据采集激光扫描数据采集在地形测量中采用三维激光扫描仪进行地形测量一体化流程：-11- 第三章第三章 地形测量一体化中三维地形测量一体化中三维激光扫描数据采集激光扫描数据采集 3.2 三维激光扫描仪的数据采集三维激光扫描仪的数据采集在地形测量一体化中，三维激光扫描测量的点云数据主要是由机载三维激光扫描仪和地面三维激光扫描仪对地形扫描测量所得到的。-12- 第三章第三章 地形测量一体化中三维地形测量一体化中三维激光扫描数据采集激光扫描数据采集2）地面三维激光扫描仪的工作原理及数据采集 在第二章中介绍了地面三维激光扫描仪的工作原理，下面主要介绍

9、一下本此实验所采用的的地面三维激光扫描仪Leica Scanstation 2三维激光扫描仪。 Back-13- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模 三维激光所获取的原始点云数据具有密度大、所需硬盘空间大、冗余、辨别困难等缺点，所以点云数据必须要经过一系列的平滑去噪、匹配拼接、压缩抽稀以及空洞修补等处理。对处理完成后的点云数据再进行建数学模，提并取特征点和特征线，绘制地形图。 4.1 点云数据的平滑去噪点云数据的平滑去噪1）点云的去噪 在对地形测量过程中，由于测量外部环境的变化及测量设备系统内部因素的影响，测量所得的点云数据不可避免地存在噪声点，所以需要对点云数据进

10、行平滑去噪处理。对一数据点是否是噪声点，根据判定方式不同可以分为：人为判定法、弦长阀值判定法、角度阀值判定法和曲线检查法。2）点云平滑 在删除噪声点后, 由于测量系统本身存在的机械误差和测量时的振动-14- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模 ， 以及热、光等因素对系统造成的影响，会给数据点云带来较为微小的系统误差和随机误差，从而会对曲线、曲面拟合过程产生影响，所以要对数据进行平滑处理。对点云进行平滑处理常采用的方法：中值法、平均值法或标准高斯滤波法。 4.2 点云数据的匹配拼接点云数据的匹配拼接 在地形测量中，为了将不同坐标系下的点云数据统一到相同的坐标系下，需要

11、对点云进行匹配拼接。目前匹配主要有三种方法：基于公共标靶的匹配拼接、基于点云的匹配拼接和基于测站点的匹配拼接。 4.3 点云数据的抽稀压缩点云数据的抽稀压缩 三维激光扫描仪获取的点云非常密集，存在大量冗余，庞大的点云数据给后续处理及存储、显示与传输等方面都带来了不便，因此，在保证一定精度的前提下需对海量的点云数据进行压缩和抽稀。目前，对 -15- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模 点云的压缩抽稀有多种方法，其中较为常用的方法有基于曲线拟合与采样的点云压缩方法、点云数据的区域重心压缩方法和基于最小二乘配置法的点云压缩。 4.4 点云的空洞修补点云的空洞修补 对地形进

12、行扫描测量时，其生成的点云数据经常包含有各种无法扫描到的区域，即存在大量的空洞。这些空洞对点云的建模和后续处理会造成很大的影响，所以要对点云空洞进行修补。点云的空洞修补的方法：1）实地补测法，其基本原理：用三维激光扫描仪或全站仪对点云空洞的区域再进行扫描或测量，把获得的数据配准到点云数据中，从而完成对空洞的修补，该方法对空洞修补比较准确，获得的数据精度较高，但其因需去现场进行补测，费时费人，从经济效益上不划算。2）点云内插法，其基本原理：按照空洞周围点云数据值，结合现场-16- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模 的照片，在计算机上运用数据处理软件中的算法，对其空洞

13、进行内插修补，选取软件中算法时要结合实际地形和空洞区域地形，选择合适的算法进行内插处理。3）基于摄影测量的点云空洞修补法，其基本原理：用数码相机补拍若干存在点云空洞的地形数码像片，按照摄影测量航片的方法对像片进行处理，得到基于像片生成的三维数据,将这些数据配准到三维激光扫描点云坐标系中，从而实现基于影像生成的点云修补扫描地形的点云空洞。 4.5 数学建模及地形图的绘制数学建模及地形图的绘制1）点云数据的建模 根据三维数学模型表达方式的不同，对点云数据构建模型可以分为两种方法：一种是基于三维点云的点阵模型进行建模，对处理后的点云 ，封装构造网格（即三角面片），再通过采用曲面拟合，最终生成点-17

14、- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模 云数据模型；一种是规则网络模型的构建，将区域空间划分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，而在计算机实现中是一个二维数组。每个格网单元对应一个高程值，把点云按照高程点分布在格网中，再依据高程不同给予不同的颜色，生成直观的数学模型。2）绘制地形图 利用三维激光扫描仪采集的点云数据，经过预处理后，其点云数据量还是较大（多达几万甚至十几万个），对后续的坐标转换和地形图的绘制造成大大的不便，所以在坐标转换和绘制地形图前，点云要进行重采样。1.点云重采样 点云的重采样有三种方法：曲率采样、格栅采样和随机采

15、用。曲率采样是根据点云中点的内在属性（曲率）作为标准，基本思想是：在曲-18- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模 率大的区域保留足够多的点以完整精确地表示曲面特征，而曲率小的区域则保留少量的点。格栅采样，即等距采样，是以均匀间隔删除点云数据，忽略曲率和原来的点云密度；随机采样是采用一个能够产生覆盖点云数据量范围的随机数的函数，不断的产生随机数，把它所对应的点从点云中去除，直到点云中的点数减少到需要的个数。2.点云的坐标转换 三维激光扫描仪采集的点云和一般的地形测量所建立的坐标系一般是不相同的，所以在对点云的最终成图前要进行坐标转换。本文进行坐标转换采用的模型为布尔

16、沙（Bursa）模型。-19- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模布尔沙（Bursa）模型-20- 第四章第四章 点云数据的处理及数学点云数据的处理及数学建模建模3.地物绘制对地物的绘制主要是提取地物的特征点、特征线。特征点的提取主要有两种方法：利用曲率提取特征点和利用点间法线变化提取特征点。对特征线的提取主要是基于点云模型来进行提取，特征线提取的方法主要有：基于多边形面片表示的模型特征线提取算法和基于光滑曲面表示的模型特征线提取算法。4.地貌绘制对地貌的绘制就是在CASS中依据点云数据绘制等高线。 Back-21- 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技

17、术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 5.1 测区概况测区概况本文所测区域位于西安市灞桥区白鹿塬北坡，其地形起伏较小，人流量相对较小，地形表面的杂草和植被较少。-22- 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 5.2 控制点、设站点的布设控制点、设站点的布设本次实验使用其中的K1、K3和K4三个控制点作为基准点，用于架设仪器，K2和K5作为观测所需的后视定向点。-23-点位布设示意图 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 5.3 数据的获取与预处理数据的获取与

18、预处理1）外业数据采集 其流程为：架站、定向、拍照、扫描。2）点云数据的预处理 点云数据采集完成后，采用Cyclone软件及Geomagic Studio 12软件，对采集的点云进行预处理。1.点云拼接 本次拼接采用的是公共标靶拼接，其拼接前后如下图所示。-24- 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-25-拼接前的点云数据 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-26-拼接后的点云数据 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一

19、体化中的应用 2.点云的去噪平滑点云的去噪平滑对扫描到的无关地形和其他物体的点云，必须手工去除。对部分无关点云去除后的点云如下图所示。 Back-27-手动删除噪声后的点云数据 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用在Geomagic Studio 12软件中，对手动去噪后的点云采用曲率采样进行平滑处理，其平滑前后的示意图：-28-平滑前点云平滑后点云 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 3.点云抽稀压缩点云抽稀压缩以最小二乘配置法为原理，在VB语言上编写压缩程序，运用编

20、写的程序来对点云数据进行抽稀压缩。抽稀压缩后的数据导入到Geomagic Studio 12软件中，其点云如图所示：-29-抽稀压缩后点云 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 4.点云空洞的修补点云空洞的修补采用点云内插法对点云空洞进行修补，在Geomagic Studio 12软件中，主要有两种方法： 对较小的空洞，采用全部填充的方式来进行自动填充，其原理是：按照空洞周围地形数据的曲率，再结合地形的起伏情况，按照一定的曲率和点云的密度对空洞进行修补； 图片 对较大的空洞，采用的是填充单个孔，其空洞修补原理：对较大空洞进行搭桥，将

21、其分为较小的空洞，再采用曲率填充的方式对其进行填充。搭桥的方法：在空洞边缘单击一点，将其拖至边缘上得另一点然后松开以创建一端，重复操作以建立桥梁的另一端。图片-30- 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-31-较小点云空洞修补对比图Back 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-32-较大点云空洞修补对比图 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 5.4 点云数据的建模和绘制地形图点云数据的建模和绘制地形图1）

22、数学建模-33-基于三维点云的点阵模型的数学模型 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-34-基于规则网格化的数学模型 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 2）绘制点云的地形图）绘制点云的地形图地形图包括地物元素和地貌元素，而对本次扫描的地形，地物元素很少，所以只研究地貌的绘制即绘制等高线。-35-点云绘制等高线流程 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用1.点云重采样在实验中扫描的地形起伏较小、结构较简单，在

23、选取百分比值时，可以在保证地形图的准确度下选择较小数值，本次选取百分比值为5，其重采样后的点云为790个。2.绘制地形图在导入CASS前，需要坐标转换，通过布尔莎模型，转化成常规地形测量所用的数据，把转换后的三维点云导入CASS软件中，生成的等高线如下图所示。-36- 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-37-转换后点云与全站点的等高线对比示意图 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用 5.5 三维激光扫描应用于地形测量一体化成图质量评价三维激光扫描应用于地形测量一体化成

24、图质量评价1.两者的等高线图对比分析两者的等高线图对比分析 从图形的外表作对比。从上两图中，我们可以很直观的看出两幅图从等高线的走向、表示的地形起伏的差异不大。 图片 从两幅图生成的断面图作对比。对两种数据其生成的断面图，我们可以更能直观地看出，两种数据表达出的实际地形非常的吻合。-38- 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-39-全站点生成的断面图转换点云生成的断面图 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用2.两者所测地形图在同一图幅下等高线差距质量评价两者所测地形图在

25、同一图幅下等高线差距质量评价 把转换后的点云和全站仪数据导入CASS同一文件中，分别绘制两者的等高线，在其中选取15条对应等高线，做图表进行对比分析。-40-选取等高线（部分） 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用-41-表表1 两等高线位置差距两等高线位置差距d点号点号d(m)点号点号d(m)10.4190.4220.43100.5330.45110.5940.55120.5050.51130.5960.41140.4970.51150.5780.46 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地

26、形测量一体化中的应用 从表1可知，两等高线的最大差距是0.59米，在图上的距离为1.18毫米（比例尺为1:500）。从表1中可得出，对1:500以上的大比例尺地形图，其两等高线差距较大，不适合对测图精度要求较高的地形图测量需要；对1:1000以下的小比列尺地形图测量，三维激光完全能够满足其测图的需要。3.对三维激光和全站仪所测的地形图从平面精度和高程精度进行对比对三维激光和全站仪所测的地形图从平面精度和高程精度进行对比分析和质量评价分析和质量评价 对野外测量数据的地形图，当比例尺大于1:5000时，一般选取2050个点作为检测点，对地形图进行平面和高程精度的质量评定。 在本次试验中，可以把全站

27、仪所测的点位坐标当做真值。在对点云数据生成的地形图进行质量评价，布设了32个测图质量检测点，其坐标差值如下表2所示。-42- 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用表表2 转换后的点云与对应全站点的数值之差转换后的点云与对应全站点的数值之差点号点号X(cm)Y(cm)Z(cm)点号点号X(cm)Y(cm)Z(cm)63.54.72.31012.93.03.6101.95.92.91023.65.03.3183.04.33.81066.02.73.490-1.73.93.615.22.72.7915.25.53.524.35.03.79

28、24.01.62.135.11.12.9931.91.1-2.595.51.50.8-43-262.85.20.9313.34.01.3255.20.83.5363.12.71.9465.85.03.1374.95.14.6474.73.63.6622.74.8-0.7394.45.23.4635.54.41.9401.32.22.7643.73.83.3424.72.53.1713.46.31.2444.63.64.3724.84.80285.61.71.373-0.44.03.5 第五章第五章 三维激光扫描技术在某三维激光扫描技术在某地形测量一体化中的应用地形测量一体化中的应用从上表2中可得到：Xmax=6.0cm， Ymax=6.3cm， Zmax=4.6cm 。其平面坐标中误差计算式： （5.1） （5.2） （5.3）则Mx=4.21cm，My=4.04cm，Mz=2.94cm，对大比例尺线划图（一般大于1：2000）进行绘制时，其检测点的平面坐标中误差5cm，高程中误差3cm，在地形图上的误差小于1mm，能够达到绘制地形图的精度要求，满足一般测图的需要。 back-44- 结论与展望 结论结论本文主