三维激光扫描数据生成精细地面模型

王建强， 李 丁， 徐效波

(东华理工大学测绘工程学院，江西南昌 330013)

三维激光扫描技术是测绘领域的一次技术革命，它的特点是:非接触性、快速性、高密度、高精度、数字化、自动化等等，这些独特的优越性能使该技术广泛应用于众多领域(董秀军，2007;刘文龙等，2009;马利等，2011)。三维激光扫描数据生产数字地面模型是该技术的重要应用之一，三维激光扫描获取的数据量大，信息丰富，对这些点云数据处理是生成好的地面模型的前提(李亮等，2010)。梅文胜等(2010)利用三维扫描技术生成了精细地形图。由于三维激光扫描技术最近几年来技术发展迅速，但是数据处理理论和技术相对滞后，点云数据预处理部分是三维激光扫描技术的核心内容之一。本文通过理论和工程实例分析三维激光扫描数据的特征信息，通过对数据预处理过程中遇到的问题进行系统分析，给出了数据预处理过程中对点云稀少区域或空白区域进行区域分割和内插点云的改进方法，并利用这些处理数据生成大范围地势复杂区域的精细地面模型。

1 内插算法和分割处理

由于野外数据采集中难免会有一些空白区域，不能满足建立地形模型的要求。此时需要增加点云数据填补该区域，处理方法可以采用内插算法实现。利用已有的观测数据点云，通过空间格网模拟出地分辨率的点云数据。由于点云一般情况下数据量大，并且远距离区域间的相关性较小(程三友等，2010)，特别是复杂地区的相关性更小，因此需要对要拟合的区域从整体中进行分割。区域分割的原则是对选取对空白区域有影响的点云数据。

分割处理选取点云数据常用三种方法:矩形区域选择、多边形区域选择和自由区域选择。矩形区域选择方法简单容易实现，缺点是有多余数据，这些数据会对插值点的精度有影响，多边形区域选择和自由区域选择可以精确地选取所需要的点云数据，可以提高插值点的精度，缺点是选择效率相对较低。由于多边形区域选择和自由区域选择可以减少冗余点云，因此在后续内插算法中减少了计算量，提高了计算速度。

点云的内插算法较多，通常采用均值内插和采用距离定权算法(赵鑫等，2011)。假设单元空间内的点集为 Pi(xi，yi，zi)，i=1，2，…，n，n 为空间内点的数量。内差点P的平面坐标为(x，y)，计算高程采用均值内插算法的计算公式为:

从公式(1)中可以看出，均值内插算法简单，但是模型不严密，因为没有考虑到计算点和已知点空间信息的相关性，因此数据精度相对较低。计算高程采用距离定权算法公式为:

2 点云数据生成地面模型

采用VZ-400三维激光扫描仪对某一测区进行测量。该仪器每秒可发射30万激光束，标准测程1～400 m。如图1所示，图中不同颜色代表不同的测站，每个测站的数据量一般可达1000万个点以上，通常一个测区往往有几十站甚至更多的测站，因此点云数据量太大，必须删除多余的点和噪声点。需要说明的是还需要手工删除一些非地形数据，比如树木、临时建筑物等等。

图1 拼接后的原始点云Fig.1 Previous point cloud after stitching

当通过数据预处理后获得一些比较干净的数据后如图2所示，就可以利用这些数据生成数字地面模型。但是预处理的点云数据并不是没有缺陷，由于在野外采集数据时，地形往往是很复杂的，这样有些地方就存在空白区，从图2中可以看出，有些地区的数据很少，甚至有些地区没有数据。如果测区范围内有较大区域缺少数据，将会严重影响生成的地面模型的质量，对后续数据处理造成困难。这时就需要对这些数据进行再处理，首先是需要将这些没有数据或者缺少数据的地方采用插值拟合的方法补充数据，本文采用上述中距离定权算法进行数据内插。

图2 预处理后的点云数据Fig.2 Point cloud after pretreatment

在对点云进行内插之前需要选择合适的数据，即对点云数据进行分割处理。分割的依据是以点云是否密集为基准，对于数据充足的区域不需要增加虚拟观测点。点云数据分割主要采用多边形区域分割法，该方法相对于矩形区域法不仅可以提高拟合精度，而且效率高。自由分割法在选取点云时操作性比较难，定位精度较差。通过多边形分割法选择要内插的区域，采用内插方法补充这些稀少或者空白区域的点云数据。然后对所有点云数据进行平滑处理，图层中白色的点是未选中浮点，应该删除，这样使生成的地形模型更光滑，接近真实地貌。

通过对处理后的点云数据生成不规则三角网，进而生成数字地面模型(图3)。从图中可以看出这个测区的高程范围在1 500～1 666 m，测区高程信息丰富，模型没有通常出现的巨大尖锐形状物。需要说明的是假设原始数据不进行补点、平滑处理，则生成的地面模型将会有巨大尖刺或者空白区域。

3 结束语

图3 数字地面模型Fig.3 Digital Terrain Model

本文结合实例利用分割方法和插值技术解决点云稀少或空白区域的处理问题:采用距离定权方法有利于提高内插算法的计算精度;区域分割法中多边形区域选择方法有利于提高点云内插精度，计算的效率也较高。对点云数据的预处理中利用点云的密集程度进行分割，对密度大的点云进行抽吸处理，对缺乏数据区域进行拟合补点，处理后的点云需要进行平滑处理，提高生成地面模型的精度。通过这些处理技术可以处理大范围高程起伏较大区域的地面模型。三维激光扫描获取的大量数据由于处理技术还处于研究阶段，因此有巨大的研究空间。

程三友，李英杰，刘少峰.2010.基于DEM的大别山地区地貌特征研究［J］.东华理工大学学报:自然科学版，33(3):270-275.

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