三维激光扫描技术在数字地形建模中的应用.doc

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1、中小企业管理与科技 Management&TechnologyofSME 【 摘 三维激光扫描技术在数字地形建模中的应用 The Application of 3D Laser Scanning Technology in Digital Terrain Modeling 李杨 （中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，西安 710003） LI Yang （ ShaanxiBranch of ChinaBuilding MaterialsIndustry Geologic Exploration Center, Xi an 710003， China） 要 】论文简要介绍了三 维激光扫描仪的工

2、作原理 ,及其在历史古建 筑的保护、变形监测、减灾等 方面的应用，着 重阐述了三维 数据处理的步骤及方法 :点云的连接、剔除噪音点、三维建模，旨在为三维数字地形建模提供一种新的思路和方法。 【 Abstract】 This article briefly introducesthe operating principle of 3D laser scanner, and itsapplication in the aspects of historical architecture protection, deformation survey, disaster alleviation, et

3、c., mainly expoundsthe procedures of and methodsfor 3D data processing:connection of point cloud, noise point elimination, 3D modeling, the purpose of this study is to provide a new method for the research of3D digital terrain modeling. 【 关键词 】三维激光扫描仪 地形测量 三维数字地形建模 ; ; 【 Keywords】 3Dlaser scanner； t

4、opographic survey； 3Ddigitalterrain modeling 【 中图分类号 】 TP73 【 文献标志码 】 A 【 文章编号 】 1673-1069（ 2018） 01-0194-03 引言 三维激光扫描仪能以不接触被测物体的方式快速 获取扫 经验。 项目区概况 描范围内高密度、高精度的三维点位坐标 , 其扫描速度可达数 万点每秒 1-2，按测距原理可分为：三角法、脉冲式、相位式和脉 冲 相位式三维激光扫描仪 3，其作为一项实用高效 的测量手 段和技术 ,引进我国 10 余年来，已经得到了广大测绘科技人员 的关注和青睐 。 4 三维激光扫描仪目前在国内主要应用在

5、建（构）筑 物三维 可视化模型建立，特别是历史古建筑物的保存与恢复、变形监 测、地面建筑物 、地下 铁路施工监 测、滑坡、泥石流 、矿 区地表 沉陷等 工程上的试验 性应用较多 5-7，在野外 高精度特殊 用途 数字地形点云数据采集应用方面较少见，这主要是 点云数据 在 “除噪 ”、降噪 ”上难度较大， 2011 年我院承担的生产项目是 三维扫 描技术在获 取高精度 地形数据方 面的一次大 胆尝试， 为以后三维扫描技术在同类工程及地形数据采集方 面积累了 【 作者简介 】 李杨 （ ），男，河北隆 化人，工 程师，从 事测绘与 地 理信息系统方面的研究与应用研究。 194 项目区位于陕西省韩城

6、市芝川镇东少梁村境内的黄河 台 塬上、著名旅游 景区司马迁祠对面、涺水河东岸。从西禹 高速 芝川 大桥 起向 西北 方向 绵延 约 1.5 公里 长 （一期 工 程）、宽 200 400m 之间 。测区为典型黄土地貌，沟壑众多，有一定植被 覆盖，施测困难。 项目要求数 字地面模型 点位采集 密度达到 10cm10cm 10cm（ XYH）的精度要求，塬上和塬下 地势平缓 地区可放宽 到 30cm30cm。常规测量方法难以满足要求，因此采用三维激光 扫描技术获取项目区三维模型成果。 研究方法 测量方案 利用高精度 GPS 测量系统获取已知反射点（靶标）的大地 坐标（测区坐标 系统）。同时利用激光

7、扫描仪获取已知反射 点 （靶标）的相对坐标。根据已知反射点大地坐标和相对坐标（工 程坐标）进 行相互转化。 新技术应用与实践 Application and Practiceof NewTechnology 图 1 点云数据拼接误差 野 外数据采集过程中采用了自由设站的工作模式，每一 测站数据采集完毕后同时对标靶进行 扫描 ，然 后用 RTK 测得 标靶在 GPS 控制网中的三维坐标，根据测量标靶的三维坐标 数据文件将扫描点云拼接在一起。野外工作实践证明，这种工 作模式比较适合大场景的地形扫描工程项目。 数据处理 内 业数据 处理主 要采用 Cyclone 软件和 Geomagic 软件 ，

8、利用 Cyclone 软 件进 行 点云 数据 拼 接和 数据 预 处理 ， 利用 Geomagic 软件进行点云数据精细化处理与三维数据建模。 第一，点云数据拼接。 利 用 Cyclone 软 件 中 的 Registration 模 块 将 不 同 测 站 (ScanWorld )的数 据拼接到一起，初始的 坐标系统是 由指定的 其中某一个独立的扫描仪的位置和方向决定的。将标靶的坐 标文件（ .txt）设置为目标 测站 (homeScanWorld)，其余所 有测站 （ ScanWorld）的点 云数据以标靶的实测 三维坐标为约束条 件， 通过旋 转相 应三 个方向 的坐 标轴拼 接到 h

9、ome ScanWorld 上 去。点云拼接方式可选择：点云 点云，点云 标靶，标靶 标 靶。本次作业采用点云 标靶拼接方式 ,拼接误差如图 1 所示 ， 可以看出拼接误差为毫米级，完全满足工程需要。 第二，点云数据预处理。 点 云数据预处理主要是去除覆盖于地形表面上的植被或 是与地形信息不相关的人、电力 线、建筑和其附属设施等地形 “噪音点 ”。主要采取两个步骤：点云分层和分块 ”和 “点云切 片 ”。 点云分层和分块。将覆盖于地形表面上的高大植被或是 扫描现场不相关的人、电力线 、建筑等明显不相关的信息通过 手动的方式逐层、逐块切割，将这些杂乱数据分配到噪音点图 层中去，此步骤需要大量的人

10、工干预。 点云切片。通过点云的分层和分块去除部分明显噪音点 后，用点云的 切片功能来进一步精细处理那些不明显的噪音 数据（如：小草）。将整个项目区 的点云数据沿等高线走向，每 隔 0.1m 高程切割成若干切片，对每一条切片进 行精细化去除 噪音点。如图 2、图 3 所示。 图 2 点云切片 图 3 噪音点数据 第三， Geomagic 中去除噪音点。 经过对点云数据分层分块、点云切片降噪处理后，把处理 后 点云数据 导入到 Geomagic 中，通 过自动去 除噪音 点（降低 噪音 点）、选择 体外孤点和 去除琉璃三 种数据处 理方式，对点 云数据做进一步 精细化处理。 在去除噪音点的过程中会

11、剔除大量冗余数据 ，植被茂盛 的地方点云数据稀疏，甚至有一些空洞区域，直接构建数字地 面模型不能很好地表达微 地貌。因此利用具有无棱镜测距功 能全站仪或 RTK 对点云数据稀疏和有 空洞的区域进行补测 ， 补测点应能控制空洞区域 地形总体特征，由于补测点的密度 无法达到点云数据的密集 程度，需通过数据内插的方法补充 点云数据以达到微地貌建模的需要。 数据建模 第一，数字线划图（ DLG）。 基于 去除噪 音点后 的点云 数据 在 Geomagic 里对数 字地 面模 型进行直接构建，通过测区三维数字地面模型生成 0.5m 等高距等高线，编辑后形成测区数字线划图。 第二，三维数据建模。 在 Ma

12、ya 或 3DMax 下进行 模型贴图渲染，通过纹理贴图 、 增加 植被和建筑物 模型、场景灯 光设置、动画渲 染、效果调整 等步骤对模型进行处理 ，模型导入导出过程中保证坐标信息 不丢失。由于本次作业重点表达测区三维地形场景，在建筑物 195 中小企业管理与科技 Management&TechnologyofSME 及其附属设施建模、模型美化等方面投入精力较少，致使三维 模型在表达植被、建、构筑物 上视觉效果不佳。制作形成的测 区三维地形数据场景如图 4 所示。 图 4 测区三维数据模型 结语 三维激光扫描系统具有快速、细致和高精度的特点。将其 应用在数字地形建模方面 , 可以减轻野外测量人

13、员劳动强度 , 减少时间耗费 ,并能够获得满意的地形建模结果。 本次作业所用扫描仪激光脉冲为单次回波，点云 总数据 量接 近 12GB，数据处 理后有效 点云数据不 足 4GB，造成 大量 数据冗余，局部地区在剔除噪音点后，仍需采用内插方式增加 点云数据，内业数 据处理工作量较大；若采用市场上较为先 进 的多次回波工作方式，能否有效降低数据冗余，提高数据处 理 效率，仍需进一步研究。 【 参考文献 】 【 1】李铁 兵 .三维激光扫描仪在地形测量中的应用 J. 科技情报开 发与 经济， 2007,17（ 18） :144-146. 【 2】张宏，胡明 .三 维激光扫 描仪在地 形测量中 的应用

14、 J. 企业技术 开 发， 2007（ 8） :16-19. 【 3】张启福，孙现申 .三维激 光扫描仪 测量方法 与前景展 望 J. 北京 测 绘， 2011（ 1） :39-42. 【 4】胡广洋 .徕卡 HDS, 瞄准 3 维激 光扫描技 术领先地 位 J. 测绘通报 ， 2006（ 2） :76-77. 【 5】马素文 . 三维激光 扫描在测 量中的应 用现状 J.山 西建 筑， 2011,37 （ 9）： 207-208. 【 6】马玉凤 ,严 平 ,时云莹 ,等 .三维激光 扫描仪在 土壤侵蚀 监测中的 应 用 以青海省共和盆地威连滩 冲沟监测为例 J.水土保 持通报， 2010,

15、30（ 2） :177-179. 【 7】张国辉 . 基于三维 激光扫 描仪的 地形变 化监测 J. 仪器仪 表学报 ， 2006,27（ 6） :96-97. （ 上接第 193 页 ） (completeness)和 质量 (quality)，使用 人工或 者自动 手段来运 行 或测试某个系统的过程，其目的在于检验它是否满 足规定的 需求或弄清预期结果与实际结果之间的差别 。 2 为了更加简单快捷地测试 软件，采用黑盒测试和 白盒测 试相结合的方案。黑盒测试即在测试的过 程中并不关心软件 内部结构和具体实现，它是通过测试来检测每个功 能是否都 能正常使用。在测试中，把程序看作一个不能打开的

16、黑盒子， 在完全不考虑程序内部结构和内部特性的情况下， 在程序接 口进行测试，检查程序功能是否按照需求规格说明 书的规定 正常使用，程序是否能适当地接收输入数据而产生 正确的输 出信息。黑盒测试着眼于程序外部结构，不考 虑内部逻辑结 构，主要针对软件界面和软件功能进行测试。主要试图发现下 列几类错误：功能不正确或遗漏；界 面错误；数据库访问错误； 性能错误；初始化和终止错误等。 白盒测试也称结构测试，这种方法将测试对象看 作一个 透明的盒子，测试人员根据程序内部的逻辑结构及 有关信息 设计测试用例，检查程序中所有逻辑路径是否都能 按预定的 要求正确工作。白盒测试主要用于对程序模块的测试，包括程

17、 序模块中的所有独立路径至少执行一次；在上下边界及可操 作范 围内运 行所 有循环 ；对 所有逻 辑判 定的 取值 （ “真 ”与 “假 ”）都至少测 试一次；测试内部数据结构的有效性等。 常用 的白盒测试方法主要有逻辑覆盖测试、基本路径 测试、数据 流 测试和循环测试 3。 结语 本系统满足 了图书馆管 理的功能需 求，系统 界面清 晰、 操作方便，有效 提高了图 书管理的工 作效率。 系统仍然存 在 一些不 足，今后 需对其 进行 改进 和完善 ，以满 足用户 的更 高 要求。 【 参考文献 】 【 1】李昊 ,杨燕勤 .基于 B/S 结构的高校图书馆管理系统的开发与应用 J. 现代情报 , 2010,30(1):154-158. 【 2】曹亚新 ,侯勇 ,王文国 .基于 .NET 的图书馆管理系统的设计与实现 J. 科技情报开发与经济 ,2006,16(20):35-36. 【 3】杨会朋 .图书馆 管理系统设计 J.电脑知识与技术 ,2011,07(18):4289- 4291. 196