地面三维激光扫描的数据分析和建模研究

■吴培荣

（青海省第二测绘院　青海　西宁　810001）

地面三维激光扫描的数据分析和建模研究

■吴培荣

（青海省第二测绘院青海西宁810001）

本文分析了多视点云的拼接方法及三维激光扫描系统的误差影响。采用了移动窗口最小二乘曲面拟合算法对数据进行了滤波处理，并着重探讨了基于软件的点云数据处理方法，以此为基础数据进行了的建模和地形数据的建模输出。

三维激光扫描点云拼接数据处理数据建模

三维激光扫描技术设备是科学技术和信息产业的又一次新技术革新。但对点云数据的处理还相对滞后，迫切需要可靠、快速、自动化的点云数据处理方法，以满足高精度的数据质量和稳定高效的数据处理能力要求。针对三维激光扫描技术所获取的实体的点云数据的后处理等的发展还相对滞后，还没有形成一套标准的数据处理方案，因此对数据处理的研究显得尤为重要。地面三维激光扫描技术广泛应用于测绘技术行业，带动了测绘技术的全新发展。

1　多视点云的拼接

1.1拼接计算

地面三维激光扫描获得的数据是目标物体的三维点云，这与传统摄影测量和遥感处理的数字图像是不同的。由于数据处理中涉及到大量的邻域信息需要进行处理，因此点云数据的表达和空间拓扑结构将直接影响着数据处理算法的可行性和效率。地面三维激光扫描仪通过发射和接收的激光束测量物体，并利用激光束中心点来定位，计算出每个点的三维坐标，即三维点云，并带有强度信息和目标物体的反射率信息。多视点云拼接是将两个或两个以上基于扫描仪坐标系中的三维点云数据统一到同一坐标系下的过程。

1.2多视点云数据其拼接方法

第一种通过在扫描仪扫描的视场内配置测量标靶或基于不同测站共用的测量公共控制点的方式来实现。该方法在扫描议采集数据过程中将标靶或控制点摆放在扫描目标区域对象的内部或周围，并保证这些公共的标靶在不同的扫描视场内能够同时扫描到。最后，在用内业软件进行数据处理过程中，将这些标靶所处的不同测站坐标系下的坐标计算出来，通过坐标变换计算出点云拼接的参数。第二种多视点云的拼接方法是基于具有一定重叠区域的特征点云的拼接，该方法首先是确定两幅点云之间的重叠区域的同名点，并根据所确定的同名点来获取多视点云拼接约束条件。

2　三维激光扫描数据滤波处理

2.1地面三维激光扫描点云数据处理

基本任务是将由激光扫描仪获取的点云数据进行除噪声点、滤波、分类、质量控制、数据建模等工作，得到数字地面模型简称。是数字表面模型的一个子集。根据地学原理点云滤波算法主要依据有以下两点一是地形曲面的变化具有非间断的连续性特征，激光点的高程突变一般发生在地面与非地面的过渡处，陡坎地形引起的高程突变方向单一二是地物的面积有限，一般地物平均高度随面积的变化而成正比变化。

2.2基于坡度理论的点云滤波方法

基于地面点与非地面点之间的地形坡度与地面点之间的地形坡度有一定的差别。由此，可以用地形坡度变化关系来区分地面点和非地面点。假设对于点印，在给定的一个半径的圆域中，若该点与区域中任何一点之间的坡度的最大值均小于给定的闭值，则被认为该点印是地面点，反之，则是非地面点。

2.3基于最小区域理论的点云滤波方法

该算法是直接基于离散的激光脚点进行滤波，突破了传统内插方法的局限性。该算法首先假设地表为一复杂的空间曲面，利用一个二次曲面去拟合该空间曲面在其局部的面元，当满足局部面元一定条件时，可以将其看做是一个平面。根据平面坐标方程计算区域内临近的点，计算出各点的拟合高程，将该点的拟合高程与观测高程做差，若其值大于给定的阀值，就认为该点不是地面点进而可以过滤掉若其值小于给定的阀值，就认为该点是地面点。当拟合点数达到一定数值时如达到，保持点数不变，在区域内新增一个地面点，用新点重复上述操作直到结束。该算法具有运算速度快、不需重采样、不需事先剔除粗差、保证数据精度等优点。缺点是阀值的选取要进行大量人工实验、点云数据要有一定的密度、地面邀连续等。

3　数据处理及数字高程模型的建立

3.1地面三维激光扫描数据的获取

地面三维激光扫描系统是一种集成了多种高新技术和传感器的新型空间信息数据获取手段的系统，经过一系列处理获取目标表面立体模型，经过软件处理实现实体建模输出。本论文实验数据是用莱卡地面三维激光扫描仪采集的黄河小浪底水利枢纽工程地形数据，数据获取过程中存在一定的误差，拼接过程中误差与理论误差相比较大，达到2.3cm。

3.2地面三维激光扫描数据处理

由于不同软件间数据格式不同，因此对采集的原始数据进行格式转换，将读取的原始的地面三维激光扫描以的点云数据进行数据预处理。跟据建立DEM的要求，把要生成数据高程模型首先要从分离出来的地面点中把建立的关键点即从地面点中提取出来。将提取出来的输出为卿格式的数据文件，其文件后缀为文件，即使用软件模块读取的工程文件，读取文件后巨可在模块中进行建模操作，完成建模后与最初的原始数据模型对比进行分析对比。原始数据中存在大量的非地面点，大部分点为高于地面的树木和杂草等，对构建数字高程模型精度有很大的影响，因此在建立数字高程模型前必须要对这些影响精度的因素过滤掉。因此在点云数据分类的时候，分类参数的选择也是非常关键的，直接影响到滤波效果的好坏，同时也直接影响到数字高程模型的建立精度等。

3.3数字高程模型的建立

本文采用基于等高线分布采样点的方式建立模型。基于等高线分布采样点，在建立是应顾及等高线特性。实际应用中等高线内插通常使用两种方法一是沿预定轴方向的等高线直接内插。通过计算确定预定轴与相邻等高线的交点，然后利用这些交点采用一系列的插值方法来生成规则格网数字高程模型。

4　结论

综上所述，三维激光扫描测量技术在测绘领域的应用和发展，对于测绘学科来讲，带来了前所未有的发展，开辟了新的应用领域，拓展了测绘科学的研究和应用。地面三维激光扫描测量技术的强大的技术优势和应用领域的发展还亚待进一步开发利用。

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P2[文献码]B

1000-405X（2016）-9-166-1