■徐超 陈银珠

(浙江省测绘大队 浙江杭州 310030)

地形测量内业编绘系统的设计

■徐超 陈银珠

(浙江省测绘大队 浙江杭州 310030)

利用三维点云数据绘制地形图是点云数据处理技术的新领域应用，改变了传统测绘领域的工作方式。本文利用PCL设计了地形测量内业编绘系统，加快内业编绘地形图工作速度，是新测绘技术应用的尝试。

点云PCL测量

1 前言

目前，外业测量工作主要采用传统的作业方式，数据采集工作主要依靠全站仪和GPS进行稀疏目标点的高精度测量，外业作业人员需要对采集的空间坐标数据进行编辑处理出图，工作量较大，工作时间较长。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的条件。三维激光扫描技术实现物体的空间位置高精度三维坐标数据快速采集，具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，极大地降低成本，节约时间，适合作为外业采集的新型作业工具，替代传统的全站仪和GPS[1]。

本文介绍以PCL(Point Cloud Library)为系统实现的基础类库，设计用于地形测量内业编绘处理的立体三维点云工厂平台信息系统，该系统用于协助测绘人员快速制图，且以三维场景视角展现测场的地物地貌，给人以身临其境的视觉效果，也为构建城市三维场景模型提供了数据。

2 系统总体设计

图1 地形测量内业编绘系统的业务流程

2.1 PCL介绍

PCL（Point Cloud Library）是一个独立的大型的处理二维/三维图像和点云数据的开源工程，PCL包含了许多先进算法，比如滤波，特征估计，表面重建，模型拟合和分割等[2]。PCL是在吸收了前人点云相关研究基础上建立起来的大型跨平台开源C++编程库，它实现了大量点云相关的通用算法和高效数据结构，涉及到点云获取、滤波、分割、配准、检索、特征提取、识别、追踪、曲面重建、可视化等。支持多种操作系统平台，可在Windows、Linux、Android、Mac OS X、部分嵌入式实时系统上运行。

PCL潜在的应用领域广泛，目前得到应用的领域包括机器人智能感知领域，CAD/CAM逆向工程领域，激光遥感测量领域，虚拟现实及人机交互领域。

2.2 系统总体设计

地形测量内业编绘系统是PCL类库为基础，实现对三维激光扫描仪采集的点云数据处理和立体显示，通过人机交互方式，采集有效的点快速绘制二维平面地形图，并存储到共享数据库中，支持远程点云数据获取和展示。

该系统设计为具备点云数据特性提取，快速自动绘制地形图，影像匹配三维建模，网络共享操作处理等功能的点云数据测绘行业应用型系统，是国内三维激光扫描数据软件处理方面创新型应用产品。对激光扫描仪采集的多站扫描数据进行拼接成点云数据，实现对点云数据的预处理和特性点提取。对提取的地物特性点连接构线，最终形成高精度的地形图。

2.3 系统详细流程说明

2.3.1 三维激光扫描仪数据处理

利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时，对于不同的应用对象、不同点云数据的特性，三维激光扫描数据处理的过程和方法也不尽相同。

整个数据处理过程可以概括为：数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化。

数据采集是模型重建的前提，数据预处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度，主要内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、不同站点扫描数据的配准及融合等；模型重建阶段涉及的内容包括三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理、模型简化和纹理映射等。

2.3.2 地物特征点的提取

地物特征点提取模型的建立，对于后期点云数据的三维模型建立和地形图生成功能具有决定性作用。提取地物特性点需要首先做数据过滤、数据分割、采样、去除离散点等数据预处理操作，然后利用数据拟合模型实现对点云数据特性点的提取。

2.3.3 等高线自动构建

等高线是地形图承载的重要内容，建立有效的等高线自动构建模型是本系统所要研究的重要内容。等高线的建立需要将特征点上的高程值进行有效提取。根据点云数据构建地表模型和提取的特征点，自动提取特征点上的高程值。这里涉及到地表模型TIN和内插算法模型。系统可以叠加DLG和DOM对等高线进行编辑，人机判别提高等高线提取准确度和精度。

3 系统功能设计

3.1 系统功能结构设计

图2 地形测量内业编绘系统的功能结构图

地形测量内业编绘系统基于PCL（Point Cloud Library）和.NET技术进行研发，系统结构为C/S结构，数据库采用Oracle 11g存储点云数据文件，从而实现了多人同时在线调用、更新数据库，并且可以实时地查看其他人对数据库的更新内容。

3.2 功能模块介绍

（1）点云数据管理子系统通过PCL类库的数据管理接口，实现扫描数据的导入导出功能与测站信息的管理和维护功能。

（2）点云数据视图管理子系统利用PCL类库实现对点云数据三维渲染显示、三维点编辑处理和交互浏览等功能；利用ArcEngine二次开发包实现将提取的三维点转换为二维点显示功能，以及二三维图形的互动显示功能，方便空间地物的定位和定向。

（3）点云特性信息管理子系统是利用PCL类库接口实现对三维点云数据的过滤筛选，特性点信息提取，三维模型的构建和渲染处理，处理针对点云数据到三维模型构建实现表面重建技术。

（4）点云编辑制图子系统是针对测绘行业需求实现的业务功能子系统，通过研发特定算法的功能模型，结合PCL类库接口，开发等高线构建功能模块，地形图快速构建和地形图修饰整理等功能模块。

4 总结

通过点云数据编绘地形图是三维点云工厂应用的新领域，对于测绘领域也是新的技术尝试，目前还没有成熟的方案可以直接借鉴。本文利用PCL开源类库，设计了由激光扫描仪采集的点云数据编绘地形图的新型绘图系统，将给传统测绘领域带来新的技术思考和绘图工作方式的改变，具有长远的意义。

[1]徐晓雄,刘松林,李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用 [J].中国测绘. 2009,(2),62-65.

[2]朱德海,郭浩,苏伟.点云库PCL学习教程 (M).北京航空航天出版,2012.

The Design of Terrain Survey Editing System

Xu Chao，Chen Yinzhu
(Suveying and Mapping Team of Zhejiang Province, Hangzhou,Zhejiang,310030)

Using three-dimensional point cloud data plotted topographic map is new areas of application of point cloud data processing technology.And it is changing the traditional way of surveying and mapping work in the field.In this paper,the design of the topographic survey PCL compilation system within the indoor to speed up speed for compilation topographic maps,is the new mapping technology applications attempt.

point cloud,PCL,surveying

P2[文献码]B

1000-405X（2015）-11-243-2