劉欣，陳小歌，張詩玉

(1.河南測繪職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 451464；2.商丘師范學(xué)院 測繪規(guī)劃學(xué)院,河南 商丘 476000)

三維激光掃描技術(shù)能在更大的范圍以更高的分辨率快速生成目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),過程中不需使用棱鏡,能在短時間內(nèi)生成能顯示出來的復(fù)雜曲面的物理模型,坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維激光掃描圖像只需進行可視化處理，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛.我國首次應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)建立石窟藝術(shù)寶庫數(shù)字文檔；三維掃描儀對秦俑二號坑進行掃描,利于文物受損后快速復(fù)原,另外在變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、斷面和體積測量等都可使用.

本文就FARO三維激光掃描儀數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)處理繪制等高線作出了相關(guān)研究,希望可以在工程項目的進行中發(fā)揮重要的作用.

1 點云數(shù)據(jù)獲取

1.1 工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)包含采集數(shù)據(jù)的硬件部分和處理數(shù)據(jù)的軟件部分.根據(jù)不同的載體,三維激光掃描系統(tǒng)又能分為機載、車載、地面和手持型幾類.

地面三維激光操作系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、點云數(shù)據(jù)處理平臺、電源及其他附屬配件組成.掃描儀內(nèi)部裝有激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng),同時還有CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)[2].三維激光掃描的基本思路是在待測對象上投射具有特殊結(jié)構(gòu)形狀的激光光源,形成光條紋,然后使用左右兩側(cè)的攝像機拍攝圖像,取得激光條紋的立體信息,為了迅速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),激光發(fā)生器和左右攝像機同時也在圍繞被測對象旋轉(zhuǎn).最后利用激光測距原理,通過高速激光發(fā)射器在短時間內(nèi)測出空間三維坐標(biāo).其工作原理如圖1.

圖1 掃描儀工作原理圖

1.2 點云數(shù)據(jù)獲取

本次課題采用的是FARO三維激光掃描儀,安裝好儀器設(shè)置完參數(shù)后進行掃描,考慮到視野和地形,測區(qū)選在亞青附近的空地.在待測地點附近分散擺好5個靶標(biāo),保證能被掃描儀全部觀察到,掃描時先降低數(shù)據(jù)分辨率和質(zhì)量進行粗掃,然后根據(jù)需要提高分辨率精確掃描地形[1].掃描完一站后將掃描儀換至下一站,移動2個靶標(biāo)直到能被掃描儀全部觀察到,再次進行掃描.每站測量時都需有至少3個靶標(biāo)與上一站相同,重復(fù)以上步驟測完全部5站.

2 點云數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描儀本身具有視場角掃描距離的限制,每站只能掃描一部分?jǐn)?shù)據(jù),從多個角度不同方位進行掃描的數(shù)據(jù)要進行坐標(biāo)系的統(tǒng)一[3],本次課題利用SCENE軟件對點云數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)系配準(zhǔn),然后利用Geomagic Studio軟件進行數(shù)據(jù)處理生成數(shù)字模型.其操作流程為：點云處理——封裝為多邊形——多邊形階段——造型階段——輸出模型.

當(dāng)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后得到的文件在CASS中處理太大,需要適當(dāng)抽稀.將土地周圍不需要的房屋,道路等無效掃描點刪除.然后將文件以2%的采樣比率打開,重新保存,查看文件大小,若仍不符合要求,反復(fù)進行以上操作直到文件大小合適,完成后將文件保存為dxf格式.

3 CASS軟件中等高線的繪制

3.1 內(nèi)插生成等高線

把生成的dxf格式文件導(dǎo)入CASS中,通過建立DTM模型和使用DEM內(nèi)插方法生成等高線.

建立等高線需要的地面高程模型(DTM)之前,應(yīng)找出明顯高出地面的碎部點,這些碎部點無法代表當(dāng)?shù)馗叱?需要將其剔除,操作時把其高程改為零即可.要注意畫出山脊線、山谷線、坡度變化線、地貌變向線、坡頂線和坡底線等線條，同時考慮陡坎選擇,這樣就能生成合理的DTM三角網(wǎng),繪出精準(zhǔn)切實的等高線.

3.2 等高線修飾和高程點的注記

繪制時遇到不應(yīng)出現(xiàn)等高線的地物例如房屋等建筑物、雙線道路、路堤、坑穴、陡坎、斜坡、湖泊、雙線河、雙線渠、水庫、池塘以及注記的話都需要中斷這條等高線.注記時將字頭對準(zhǔn)山頂或高地,遇到復(fù)雜的地段,需要注意保持地形特征的完整性.注記高程點時應(yīng)選在具有明顯特征的地物或地形上,注記密度根據(jù)地形類別、地物點和地形點的數(shù)量決定,一般為每100 cm2內(nèi)5～10個.

4 結(jié) 語

綜上所述,結(jié)合三維激光掃描繪制等高線比單純使用CASS的效率更高,能減少工作量,尤其在處理復(fù)雜圖形和自由曲面時這種優(yōu)勢會更加明顯.雖然能為測量工作帶來更多便利,為人員減少工作量,但是也存在一些缺陷和不足需要進行完善.