地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提取--中国期刊网

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地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提取

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：蒋春雷

[导读] 摘要：基于对地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提出分析。

        桂林市水利电力勘测设计研究院 541001
        摘要：基于对地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提出分析。首先分析出地面三维激光扫描技术的工作原理及特点。其次分析出地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中存在的问题。最后通过半自动化地物提取以及田坎自动化提取两种方式来分析出地面三维激光扫描仪在山区测绘中的信息提取方式。
        关键词：地面三维激光扫描技术    山区水利工程测绘    信息提取
        引言
        地面三维激光扫描技术是20世纪90年代的时候发展起来的一种用于快速获取三维空间信息的新兴技术，从第一台扫描仪问世至今已经有了十几年的时间了。随着社会的进步，对于扫描仪的制造技术也在不断地进步，并且扫描仪的使用也越来越广泛，在工程建设、城市规划以及测绘等行业里广泛地使用。在山区水利工程的地形测绘当中，因为其周边的地况比较复杂，如果使用传统的测绘方式需要消耗的人力以及物力过大，并且不能够达到所需要的测绘精度，而地面三维激光扫描技术可以进行无接触式的扫描，解决了这一问题。
        一、地面三维激光扫描技术的工作原理及特点
        地面三维激光扫描技术的工作原理是通过主动向被测物体发射激光，打到被测物体以后再接收反射回来的激光信号形成三维点云，也就是俗称的点云数据[1]。依据扫描仪搭载的运平台不一样，三维扫描仪主要分为地面扫描仪、空中机载扫描仪和便携式扫描仪三种。地面三维扫描仪由数字摄像系统、激光扫描系统、软件控制平台、内部校正系统、电源、定位系统以及其他附件组成。在测绘的工作当中，地面三维激光扫描技术采用新的工作手段对地形的测绘以及地址研究提供新的测量方法，是一种可以进行高密度并且大面积的三维空间的非接触式主动的数据采集。地面三维激光扫描技术具有速度快、采集空间点的密度大以及测量精度高等特点，提高了测绘的工作效率。
        二、地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中存在的问题
        因为地面三维激光扫描技术的工作原理是通过主动向被测物体发射激光，打到被测物体以后再接收反射回来的激光信号形成三维点云，但是这样的三维扫描仪再有遮挡物情况下，测绘的效果就大大减弱。而我国的水利工程大多数多处于崇山峻岭里面的山区。在山区大部分的地表都被农作物以及植被覆盖着，这个时候就会增加地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的难度，对于测绘的工作人员来说，要想将扫描仪形成的三维点云的数据信息提取出来的工作量是非常大的，这也就是为什么地面三维扫描技术在山区水利工程测绘中应用较少的主要原因。因此，就需要针对特殊的地形对地面三维激光扫描技术在山区水利测绘中的信息提取进行研究。这样才能让三维激光扫描仪更好地推广和运用。
        三、地面三维激光扫描仪在山区测绘中的信息提取方式
        （一）半自动化地物提取
        目前对山区水利工程测绘当中使用地面三维激光扫描仪面临的最大的问题是怎样快速地提取三维点云中的地物信息。到目前为止，也并没有什么专门针对三维点云的云软件，但经过多方实验和尝试下，可以在人工干预的情况下利用Microsta-tion V8i软件和Riscan Pro软件进行地物提取[2]。
        1、在有Riscan Pro软件狗的条件下，可以使用Riscan Pro软件进行地物提取，因为Riscan Pro软件在三维浏览以及操作方面比较简单，获取地面点比较容易，并且可以通过节点的坐标生成等高线。但要注意地物要分类进行命名，这样才可以将它们的属性正确地进行统一。
        利用Riscan Pro软件提取出来的图块可以制成dxf的格式，这些多段线在打开时便是三维的多线段，并且可以使用FME进行应用程序的编写，方便数据和坐标的转换。

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        2、Microsta-tion V8i软件的使用是在没有软件狗的情况下，因为使用Microsta-tion V8i软件进行地物提取时，对三维浏览以及三维点云操作方面比较复杂，覆盖植被的地面上的点不易提取，容易造成所提取的地物信息有非地面点的存在，因此就不能用这样的数据点生成等高线。但是当原始的三维点云去掉地标植被以后，再使用Microsta-tion V8i软件进行地物提取，还是可以在地物提取到大多数的地面点，并可以选择性的生成线。
        （二）田坎自动化提取
        1、田坎自动化提取的技术路线
        三维点云数据怎样快速有效地提取出地物信息，就当前现状解决的办法并不多。一部分的软件也只能对城市规划或者是道路等进行自动地物提取。但是对于山区地物测绘，特别是不规则的地形，比如山崖、土坎等。通常的测绘解决办法就是先利用地面三维扫描技术进行扫描，再由业内人员在三维点云里面用人工手工提取数据和信息进行编绘，这是复杂并且十分繁琐的工作，并且会因三维空间与二维空间存在的差异导致在整个地物采集过程中出现较高的错误率，降低地物测绘的工作效率[3]。在山区当中，梯田以及土坎是非常常见的地貌，使用地面三维扫描仪进行地物测绘时，需要花非常多的时间和精力来进行特征线的提取，并且有一些并不规则的高坎地貌还找不到可寻的规律。因此，为了自动的在三维点云中进行田坎边界的编绘，针对山区的田坎的一些基本的特征，采用一种在概率论基础上的一种新的在三维空间里的聚类算法，提取出一种能够自动在三维点云中进行编绘的田坎的方法。具体的技术方案如下：
        1、1在山区获取点云数据并进行数据的预处理（包括拼接点云数据、布置发射片、去掉地表植被、按照一定的密度过滤点云数据、把点云数据转变成DNG的格式）
        1、2在概率论的基础上采用三维空间聚类的方法，并且使用Delauny三角网的顶点和边长来作为约束的条件（对所有点云进行检索、删除所有的坎中点、求三角网的正态分布平均长、以平均边长为准，删除长边、判断田坎底点）
        1、3区分好田埂以及田坎，对点云簇的类型进行判断（对三角网中的点云进行检索，判断出坎顶点、依据坎顶点以及坎底点之间的高度差来判断哪是田埂，哪是田坎）
        1、4按照一定的规则将坎的顶点连接成线并且进行拟合（把各自的坎顶点都连成线，并且依据最小二乘的原理进行拟合）
        1、5给田埂以及田坎赋予相关的符号并对其进行输出（给田埂以及田坎赋予完相关的符号以后，依据田坎的坎底点以及坎顶点来判断出田坎符号的方向，并进行输出）
        2、该实验的结果
        为了证明这个实验的可执行性，特开发了一个三维点云自动提取地物信息的软件，并在这个软件当中设置了vs2010、C语言、FME20165以及las开源数据库等。并且从实验的结果中也不难发现，这个软件对于山区的测绘以及地物的提取有着非常显著的效果，值得应用以及推广。
        结束语
        综上所述，针对地面三维扫描技术在山区水利工程测绘以及地物信息测绘提取当中遇到的问题和难点，提出了一些可以提高工作效率，的一些半自动的地物信息提取的方法，并且在这些方法的基础之上，也利用空间聚类的这个理论，开发研究出一种新的可以自动对山区尤其是田坎类的地物的提出方法，也通过这样的实验证明了这个方法可以在地物提取方面有显著的效果，具有很大的应用推广价值。
        参考文献：
        [1]徐锐，罗天文. 地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提取研究[J]. 中国农村水利水电，2019，000（006）：100-103.
        [2]任彤，吴昱樨. 地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用研究[C]// 水利部，2015.
        [3]黄飒. 三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究[D]. 河南理工大学，2012.