王建強(qiáng)， 李 丁， 徐效波

(東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西南昌 330013)

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的一次技術(shù)革命，它的特點(diǎn)是:非接觸性、快速性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等等，這些獨(dú)特的優(yōu)越性能使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域(董秀軍，2007;劉文龍等，2009;馬利等，2011)。三維激光掃描數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字地面模型是該技術(shù)的重要應(yīng)用之一，三維激光掃描獲取的數(shù)據(jù)量大，信息豐富，對(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是生成好的地面模型的前提(李亮等，2010)。梅文勝等(2010)利用三維掃描技術(shù)生成了精細(xì)地形圖。由于三維激光掃描技術(shù)最近幾年來(lái)技術(shù)發(fā)展迅速，但是數(shù)據(jù)處理理論和技術(shù)相對(duì)滯后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理部分是三維激光掃描技術(shù)的核心內(nèi)容之一。本文通過(guò)理論和工程實(shí)例分析三維激光掃描數(shù)據(jù)的特征信息，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，給出了數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中對(duì)點(diǎn)云稀少區(qū)域或空白區(qū)域進(jìn)行區(qū)域分割和內(nèi)插點(diǎn)云的改進(jìn)方法，并利用這些處理數(shù)據(jù)生成大范圍地勢(shì)復(fù)雜區(qū)域的精細(xì)地面模型。

1 內(nèi)插算法和分割處理

由于野外數(shù)據(jù)采集中難免會(huì)有一些空白區(qū)域，不能滿足建立地形模型的要求。此時(shí)需要增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)填補(bǔ)該區(qū)域，處理方法可以采用內(nèi)插算法實(shí)現(xiàn)。利用已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)云，通過(guò)空間格網(wǎng)模擬出地分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于點(diǎn)云一般情況下數(shù)據(jù)量大，并且遠(yuǎn)距離區(qū)域間的相關(guān)性較小(程三友等，2010)，特別是復(fù)雜地區(qū)的相關(guān)性更小，因此需要對(duì)要擬合的區(qū)域從整體中進(jìn)行分割。區(qū)域分割的原則是對(duì)選取對(duì)空白區(qū)域有影響的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

分割處理選取點(diǎn)云數(shù)據(jù)常用三種方法:矩形區(qū)域選擇、多邊形區(qū)域選擇和自由區(qū)域選擇。矩形區(qū)域選擇方法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是有多余數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)插值點(diǎn)的精度有影響，多邊形區(qū)域選擇和自由區(qū)域選擇可以精確地選取所需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以提高插值點(diǎn)的精度，缺點(diǎn)是選擇效率相對(duì)較低。由于多邊形區(qū)域選擇和自由區(qū)域選擇可以減少冗余點(diǎn)云，因此在后續(xù)內(nèi)插算法中減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算速度。

點(diǎn)云的內(nèi)插算法較多，通常采用均值內(nèi)插和采用距離定權(quán)算法(趙鑫等，2011)。假設(shè)單元空間內(nèi)的點(diǎn)集為 Pi(xi，yi，zi)，i=1，2，…，n，n 為空間內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量。內(nèi)差點(diǎn)P的平面坐標(biāo)為(x，y)，計(jì)算高程采用均值內(nèi)插算法的計(jì)算公式為:

從公式(1)中可以看出，均值內(nèi)插算法簡(jiǎn)單，但是模型不嚴(yán)密，因?yàn)闆](méi)有考慮到計(jì)算點(diǎn)和已知點(diǎn)空間信息的相關(guān)性，因此數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低。計(jì)算高程采用距離定權(quán)算法公式為:

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成地面模型

采用VZ-400三維激光掃描儀對(duì)某一測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)量。該儀器每秒可發(fā)射30萬(wàn)激光束，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)程1～400 m。如圖1所示，圖中不同顏色代表不同的測(cè)站，每個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)量一般可達(dá)1000萬(wàn)個(gè)點(diǎn)以上，通常一個(gè)測(cè)區(qū)往往有幾十站甚至更多的測(cè)站，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大，必須刪除多余的點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。需要說(shuō)明的是還需要手工刪除一些非地形數(shù)據(jù)，比如樹(shù)木、臨時(shí)建筑物等等。

圖1 拼接后的原始點(diǎn)云Fig.1 Previous point cloud after stitching

當(dāng)通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后獲得一些比較干凈的數(shù)據(jù)后如圖2所示，就可以利用這些數(shù)據(jù)生成數(shù)字地面模型。但是預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不是沒(méi)有缺陷，由于在野外采集數(shù)據(jù)時(shí)，地形往往是很復(fù)雜的，這樣有些地方就存在空白區(qū)，從圖2中可以看出，有些地區(qū)的數(shù)據(jù)很少，甚至有些地區(qū)沒(méi)有數(shù)據(jù)。如果測(cè)區(qū)范圍內(nèi)有較大區(qū)域缺少數(shù)據(jù)，將會(huì)嚴(yán)重影響生成的地面模型的質(zhì)量，對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)處理造成困難。這時(shí)就需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，首先是需要將這些沒(méi)有數(shù)據(jù)或者缺少數(shù)據(jù)的地方采用插值擬合的方法補(bǔ)充數(shù)據(jù)，本文采用上述中距離定權(quán)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插。

圖2 預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.2 Point cloud after pretreatment

在對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行內(nèi)插之前需要選擇合適的數(shù)據(jù)，即對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理。分割的依據(jù)是以點(diǎn)云是否密集為基準(zhǔn)，對(duì)于數(shù)據(jù)充足的區(qū)域不需要增加虛擬觀測(cè)點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割主要采用多邊形區(qū)域分割法，該方法相對(duì)于矩形區(qū)域法不僅可以提高擬合精度，而且效率高。自由分割法在選取點(diǎn)云時(shí)操作性比較難，定位精度較差。通過(guò)多邊形分割法選擇要內(nèi)插的區(qū)域，采用內(nèi)插方法補(bǔ)充這些稀少或者空白區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后對(duì)所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，圖層中白色的點(diǎn)是未選中浮點(diǎn)，應(yīng)該刪除，這樣使生成的地形模型更光滑，接近真實(shí)地貌。

通過(guò)對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)，進(jìn)而生成數(shù)字地面模型(圖3)。從圖中可以看出這個(gè)測(cè)區(qū)的高程范圍在1 500～1 666 m，測(cè)區(qū)高程信息豐富，模型沒(méi)有通常出現(xiàn)的巨大尖銳形狀物。需要說(shuō)明的是假設(shè)原始數(shù)據(jù)不進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)、平滑處理，則生成的地面模型將會(huì)有巨大尖刺或者空白區(qū)域。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖3 數(shù)字地面模型Fig.3 Digital Terrain Model

本文結(jié)合實(shí)例利用分割方法和插值技術(shù)解決點(diǎn)云稀少或空白區(qū)域的處理問(wèn)題:采用距離定權(quán)方法有利于提高內(nèi)插算法的計(jì)算精度;區(qū)域分割法中多邊形區(qū)域選擇方法有利于提高點(diǎn)云內(nèi)插精度，計(jì)算的效率也較高。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理中利用點(diǎn)云的密集程度進(jìn)行分割，對(duì)密度大的點(diǎn)云進(jìn)行抽吸處理，對(duì)缺乏數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行擬合補(bǔ)點(diǎn)，處理后的點(diǎn)云需要進(jìn)行平滑處理，提高生成地面模型的精度。通過(guò)這些處理技術(shù)可以處理大范圍高程起伏較大區(qū)域的地面模型。三維激光掃描獲取的大量數(shù)據(jù)由于處理技術(shù)還處于研究階段，因此有巨大的研究空間。

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