利用激光點云數(shù)據(jù)提取采石場地貌特征

吳曉章，謝宏全，徐瑞基，龍 輝，盧 霞,王 晨

(1. 中國地質(zhì)大學信息工程學院，湖北 武漢 430074； 2. 淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005； 3. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590； 4. 江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001； 5. 地球化學勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210007)

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利用激光點云數(shù)據(jù)提取采石場地貌特征

吳曉章1,2，謝宏全2,3，徐瑞基2，龍 輝4，盧 霞2,王 晨5

(1. 中國地質(zhì)大學信息工程學院，湖北 武漢 430074； 2. 淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005； 3. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590； 4. 江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001； 5. 地球化學勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210007)

三維激光掃描技術(shù)在地貌特征提取方面能夠?qū)崟r、主動、高效完成數(shù)據(jù)采集工作，具有傳統(tǒng)測量方法不具有的特點。利用研究區(qū)點云數(shù)據(jù)生成等高線和三維模型可以真實地反映出其地貌特征。本文選擇李莊采石場為研究對象，利用徠卡C10掃描儀獲取激光點云數(shù)據(jù)，采用Cyclone和Geomagic Studio軟件相結(jié)合對其進行預處理，再分別利用Cyclone、CASS、Surfer 3種軟件提取地貌特征，并與常規(guī)測量方法進行了對比分析。研究結(jié)果表明：3種軟件均可以生成等高線并生成理想的三維模型，且均有其特性；在制作精度和效率方面，利用點云數(shù)據(jù)繪制出的等高線相比常規(guī)測量方法有著明顯的優(yōu)勢。

激光點云數(shù)據(jù)；采石場；地貌特征；三維模型

三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中已有一定的應用研究[1-2]，但是由于目前還沒有軟件能夠滿足點云的各種非地形點剔除要求，對于大范圍的地形掃描，容易造成數(shù)據(jù)缺失等，其應用于地形圖精細繪制還需要長期的研究[3]。利用三維激光掃描儀獲得的三維數(shù)據(jù)容易生成較常規(guī)測量方法更為準確的等高線和三維模型，具有一定的研究意義。近年來一些國內(nèi)學者進行了相關(guān)研究，取得了一定的研究成果。王兆忠等[4]比較和分析了利用Section、Surfer和南方CASS 3種繪圖軟件繪制勘查區(qū)的地形等高線圖；尹言軍等[5]對CASS和Surfer在大比例尺地形圖中自動生成等高線的質(zhì)量、速度等方面進行了比較和分析。本文選擇李莊采石場為研究對象，利用徠卡C10掃描儀獲取激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過Cyclone和Geomagic Studio軟件對獲取到的點云數(shù)據(jù)進行預處理后，再采用Cyclone、CASS、Surfer等3種軟件分別提取地貌特征，并與常規(guī)測量方法測出的數(shù)據(jù)作對比分析。

1 采石場點云數(shù)據(jù)獲取及預處理

1.1 研究區(qū)概況

李莊采石場位于江蘇省連云港市連云區(qū)云臺山街道辦事處李莊村李莊水庫北側(cè)，行政區(qū)劃分屬于連云區(qū)云臺山街道管轄。采石場附近交通便利，西側(cè)有連霍高速、隴海鐵路。采石場較空曠，由于開采的緣故，采石平面形狀不規(guī)則，地貌起伏不規(guī)律，植被較少，人流量相對較小，適宜進行地貌特征的提取。

1.2 采石場點云數(shù)據(jù)獲取

合作單位江蘇萬源測繪地理信息有限公司于2006年利用RTK對采石場進行了測量。2015年11月17日，筆者利用徠卡C10掃描儀對采石場進行了點云數(shù)據(jù)的獲取。為了與合作單位提供的2006年RTK測量數(shù)據(jù)進行對比，選擇在相同坐標系下獲取掃描數(shù)據(jù)。

根據(jù)徠卡C10的特點，需獲取兩個控制點的坐標。由合作單位技術(shù)人員采用南方公司的靈銳S82T接收機，在JSCORS系統(tǒng)支持下，采用RTK方式對采石場進行控制點的選取與測量，得到兩個已知點的坐標。為了達到掃描目的和精度要求，結(jié)合李莊采石場較為復雜的地形特點，又考慮到徠卡C10掃描儀獲取數(shù)據(jù)的特點，采用全站儀模式對采石場進行掃描[6]，共設(shè)立測站12站，采用中等分辨率，每站測量時間約為30 min。對于視野開闊地形平坦區(qū)域采用矩形區(qū)域，對于地形復雜的區(qū)域采用全景掃描，經(jīng)過7個多小時的測量，完成了采石場的數(shù)據(jù)采集任務。

1.3 采石場點云數(shù)據(jù)預處理

將獲取的多個測站的采石場點云數(shù)據(jù)導入Cyclone軟件中利用自動拼接功能進行拼接。由于在提取地貌特征時，需將2006年的RTK測量數(shù)據(jù)與本次測量的數(shù)據(jù)進行對比，故在處理數(shù)據(jù)的同時，需要保證兩者的范圍相同。刪除研究區(qū)域以外的點云數(shù)據(jù)，剔除非地貌因素的點云數(shù)據(jù)，由于激光掃描儀采集到的點云數(shù)據(jù)密度大且分布不均勻，對地貌特征的提取會產(chǎn)生一定的影響，且為了便于后期將數(shù)據(jù)導入CASS軟件中處理，需將點云數(shù)據(jù)按地形測繪要求的密度進行統(tǒng)一化處理。本試驗進行了1 m點云間隔的統(tǒng)一化處理，將統(tǒng)一化后的點云數(shù)據(jù)保存為xyz類型的數(shù)據(jù)文件。

將利用Cyclone軟件處理后得到的xyz類型的數(shù)據(jù)導入Geomagic studio軟件中，進行著色、去除體外孤點及非連接項、減少噪音、數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點等操作，完成對研究區(qū)域點云數(shù)據(jù)的精簡。

2 提取地貌特征

利用研究區(qū)點云數(shù)據(jù)生成等高線和三維模型可以真實地反映出其地貌特征，利用目前較為常用的3款繪圖軟件Cyclone、CASS、Surfer分別提取研究區(qū)地貌特征。三款軟件中設(shè)置比例尺均為1∶500，等高距均為1 m。

2.1 利用Cyclone軟件

Cyclone是一款與徠卡三維掃描系統(tǒng)配套的專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，不僅能夠進行點云的預處理，在提取地貌特征等方面也有著獨特的優(yōu)勢。高紹偉等[7]利用點云數(shù)據(jù)生成了TIN模型，并采用人工提取地形、地物高程點和特征點的方法，結(jié)合數(shù)字化測圖軟件繪制了地形圖；樊琦等[8]證實了針對Cyclone軟件提出的建模方法是可行的。但鮮有學者將利用Cyclone提取的地貌特征與利用常規(guī)方法提取的地貌特征進行對比。本試驗利用Cyclone軟件的Mesh功能把經(jīng)過預處理的點云數(shù)據(jù)生成TIN模型；使用多邊形去噪工具手動剔除點云邊界外的多余部分，將未覆蓋點云的Mesh部分選中后剔除，得到了研究區(qū)的三維模型(如圖1所示)，再通過Contoars功能生成等高線(如圖2所示)。

圖1 Cyclone中生成的三維模型

圖2 Cyclone中生成的等高線

將生成的等高線保存為CASS軟件所需的DXF類型的數(shù)據(jù)文件后，導入CASS中進行后期屬性添加、等高線修剪，并與利用RTK測得的數(shù)據(jù)生成的等高線進行對比。

2.2 利用CASS軟件

CASS軟件是基于AutoCAD平臺技術(shù)的數(shù)字化測繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應用于野外數(shù)字化地形成圖，進行大比例尺地形測繪。陳新璽等[9]利用CASS軟件，針對3個不同區(qū)域的海底地形數(shù)據(jù)進行等深線生成試驗，對軟件的應用能力進行了詳細的比較和分析。

由于Geomagic Studio軟件導出的數(shù)據(jù)為VTX類型的數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)類型的文件無法導入CASS軟件中使用，故導入前需要將VTX類型的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為DAT類型的數(shù)據(jù)文件。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)導入CASS軟件中，經(jīng)過定顯示區(qū)，展野外測點點位，建立DTM，經(jīng)設(shè)置比例尺、等高距等操作后生成等高線(如圖3所示)，修改三角網(wǎng)，生成三維模型(如圖4所示)，再利用RTK測得的數(shù)據(jù)生成等高線和三維模型。

圖3 CASS中生成的等高線

圖4 CASS中生成的三維模型

2.3 利用Surfer軟件

Surfer是一款畫二維、三維圖的優(yōu)秀軟件，如繪制等高線、向量圖、3D表面圖等。該軟件簡單易學，生成等高線、圖形圖像等的質(zhì)量比較高，且生成快速，易于修改，在等高線繪制中具有其他軟件不可比擬的優(yōu)勢。姚艷麗等[10]分別使用了Cloud Compare、Polyworks和Surfer8軟件對兩期滑坡點云數(shù)據(jù)進行了整體變形監(jiān)測分析。

Surfer對繪制等值線的數(shù)據(jù)有特殊的格式要求，需首先將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成GRD類型的數(shù)據(jù)文件，才能繪制等值線，即繪制等值線需要先將Geomagic Studio軟件輸出的VTX類型的數(shù)據(jù)文件先轉(zhuǎn)成DAT類型的數(shù)據(jù)文件再轉(zhuǎn)換成GRD類型的數(shù)據(jù)文件。在“網(wǎng)格方法”中選擇克里金插值法，生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)報告后，再生成等值線圖。

分別利用研究區(qū)的點云數(shù)據(jù)和RTK測得的數(shù)據(jù)繪制出等值線(如圖5和圖6所示)，并進行對比。

圖5 點云數(shù)據(jù)生成的等值線

圖6 RTK數(shù)據(jù)生成的等值線

利用Surfer軟件生成三維模型，常采用的方法有2.5維DEM法和三維的基于線框、表面的建模法。本試驗使用后者建模方法生成曲面圖。選擇上一步生成的GRD類型的數(shù)據(jù)文件，生成3D曲面圖(如圖7所示)。

圖7 Surfer中生成的3D曲面圖

3 結(jié)果對比分析

通過對以上試驗結(jié)果的比較分析可得出3種軟件的特性如下：

3.1 Cyclone軟件

Cyclone軟件可以直接對經(jīng)過處理后的研究區(qū)域點云數(shù)據(jù)進行地貌特征的提取，避免了多個軟件間的來回切換；其能夠處理海量點云數(shù)據(jù)的特性是CASS和Surfer軟件所不具有的；生成的等高線可與TIN重疊顯示，若存在陡坎等地物因等高距較大未顯示出來時可及時進行調(diào)整；Cyclone生成的三維模型相比CASS和Surfer細節(jié)較為豐富；點云與生成的TIN重疊在一起，可以很直觀地顯示出范圍線外多余的TIN，利用多邊形工具沿范圍線進行修剪和調(diào)整，以免影響下一步的等高線的生成；在TIN中可以清晰觀察出部分因樹木遮擋造成反射所生成的尖狀物，而這是與真實地形不符的，需要進行剔除；可以對生成的TIN進行放大和縮小及任意角度的旋轉(zhuǎn)，便于查看。

Cyclone軟件在地貌特征提取中的缺陷為：生成的等高線相比其他兩個軟件較為生硬；不能直接對生成的等高線進行修飾和標注，需要與其他軟件相結(jié)合進行處理，較為煩瑣。

3.2 CASS軟件

相比Surfer和Cyclone軟件，CASS軟件可以對三角網(wǎng)進行刪減和修整，能充分考慮陡坎等特殊地物，可自動切除穿陡坎、穿高程注記等高線等功能，滿足對等高線的修飾，以便真實反映研究區(qū)域的地形地貌；可以控制等高線的生成范圍，且在圖像中可以加入一些地性信息，信息量較為豐富。

CASS軟件在地貌特征提取中的缺陷為：CASS軟件生成的等高線會出現(xiàn)相交的地方，需要人工根據(jù)實際地形進行修改和調(diào)整；由于軟件對散點有數(shù)量上的限制，CASS無法直接處理由Cyclone軟件導出的海量數(shù)據(jù)，需要對點云數(shù)據(jù)進行精簡；相比其他兩款軟件，CASS生成等高線的速度較為緩慢；CASS的三維模型的顯示效果較差，相比其他兩款軟件細節(jié)較少，不夠直觀。

3.3 Surfer軟件

Surfer軟件在提取地貌特征方面具有其他兩種軟件所不具有的優(yōu)勢：該軟件生成等值線和3D曲面圖具有坐標軸等使地貌特征顯得更加直觀；生成的等值線間填充漸變色更能反映出地形的變化趨勢，生成的3D曲面圖也可以根據(jù)需求填充不同的漸變色來反映其地形變化；可以設(shè)置等值線的線型、顯示數(shù)值、光滑程度，以及等值線的等級、類別、比例尺；一般不會出現(xiàn)等值線相交的情況；操作相對簡便。

Surfer軟件在地貌特征提取中的缺陷為：點狀要素的顯示和定位較差，并且層的功能較弱；其3D曲面圖與等值線不能相互對應，模型不如Cyclone精確；生成的等值線不能加入地性信息，因此在研究區(qū)地勢起伏比較大時存在等值線交錯的情況；Surfer導出的等值線數(shù)據(jù)沒有高程信息，這給研究人員帶來了一定的不便；該軟件不具有動態(tài)顯示的功能，無法滿足連續(xù)觀察的要求，以便更好地對圖形作分析評價。

將利用RTK數(shù)據(jù)生成的等高線與利用點云數(shù)據(jù)生成的等高線作對比發(fā)現(xiàn)，兩者在一些地勢平坦的區(qū)域區(qū)別不大，但在一些地形變化較大的區(qū)域，利用點云數(shù)據(jù)生成的等高線細節(jié)較為豐富，更能反映出研究區(qū)域地形變化。

4 結(jié) 語

通過試驗研究，證明了利用Cyclone、CASS、Surfer軟件提取地貌特征是完全可靠、可行的。與常規(guī)測量方法相比，利用三維激光掃描技術(shù)提取的地貌特征更加接近實際。通過本次試驗發(fā)現(xiàn)，還有許多需要改進的地方，如利用三維激光掃描技術(shù)提取的地貌特征點是隨機的，經(jīng)過點云統(tǒng)一化處理后，若點云間隔較大，會造成一部分地物信息的缺失。而常規(guī)方法在獲取數(shù)據(jù)時，一般是人為選取地貌特征點，效果相對較好，故如何利用三維激光掃描技術(shù)全自動提取地貌特征點，仍是尚待解決的一個關(guān)鍵問題。如何減少遮擋物和掃描物體的反射對利用三維激光掃描提取地貌特征結(jié)果的影響，也是一個需要深入研究和解決的問題。

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The Method of Extracting Topographic Feature of the Quarry by Laser Point Cloud Data

WU Xiaozhang1,2，XIE Hongquan2,3，XU Ruiji2，LONG Hui4，LU Xia2，WANG Chen5

(1. Faculty of Information Engineering, China University of Geosciences ,Wuhan 430074,China; 2. School of Geodesy & Geomatics Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005,China; 3. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying,Mapping and Geoinformation,Qingdao 266590, China; 4. Jiangsu Wanyuan Mapping Geographic information Co. Ltd., Lianyungang 222001, China; 5. Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey,ECE,Nanjing 210007, China)

The 3D laser scanning technology, which has the characteristics that the traditional measurement methods do not have,can extract topographic features timely, actively and efficiently. The contour lines and the 3D model can be used to reflect the topographic features of the study area. The data of the laser point cloud are acquired by Leica C10 scanner. Cyclone and Geomagic Studio are used to preprocess the data. Cyclone,CASS and Surfer are used to extract the topographic features. Conventional measurement methods are compared and analyzed.The results show that the three kinds of software can generate contour lines and the ideal three-dimensional model, and all have their own characteristics. As to the production of precision and efficiency, the contour line drawn from the point cloud data is obviously superior to the conventional methods.

laser point cloud data；quarry；topographic feature；3D model

吳曉章，謝宏全，徐瑞基,等.利用激光點云數(shù)據(jù)提取采石場地貌特征[J].測繪通報，2017(7)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0229.

2016-12-07;

2016-12-26

海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(2014B09)；國家自然科學基金(41506106)；2014年度江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練項目(SD201411641107002)

吳曉章(1993—)，男，碩士生，主要從事三維激光掃描方面的研究。E-mail:cug.wxz@foxmail.com

P237

A

0494-0911(2017)07-0085-04