届学生毕业论文综合测绘工程 吴晓章Word格式.docx
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2012122828
指导教师：
谢宏全（教授）
2016年6月
淮海工学院本科生毕业设计（论文）诚信承诺书
1.本人郑重地承诺所呈交的毕业设计（论文），是在指导教师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。
2.本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和参考资料均加以注释和说明。
3.本人承诺在毕业设计（论文）选题和研究过程中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。
4.在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。
毕业设计（论文）作者签名：
年月日
毕业设计（论文）中文摘要
基于激光点云数据的采石场地貌特征提取方法研究
摘要：
三维激光扫描技术在大比例尺地形图测绘中已有一定的应用研究，但是由于目前还没有完善的软件能够满足点云的各种非地形点剔除要求，对于大范围的地形扫描，容易造成数据缺失等原因，其成熟应用于地形图精细绘制还需要长期的研究。
利用三维激光扫描仪获得的三维数据容易生成较常规测量方法更为准确的的数字高程模型和曲面模型，具有一定的研究意义。
本研究利用激光点云数据对采石场地貌特征提取方法进行试验研究。
选择李庄采石场为研究对象，利用徕卡C10扫描仪获取激光点云数据，采用Cyclone软件和Geomagic软件进行点云预处理，提取1m和5m两种点云间隔的数据，再分别采用CASS、Surfer、Cyclone软件提取地貌特征并进行对比，并与合作单位用常规测量方法测出的数据做对比分析。
研究结果表明：
三种软件均可提取地貌特征，其中Surfer软件较为简单、快捷、直观，而Cyclone则较为精确；
作业成果完全满足地区地貌测量的要求，5m间隔的点云数据提取的地貌特征要比全站仪测得数据提取的地貌特征更为精确。
关键词：
采石场；
地貌；
点云数据；
Cyclone；
等高线
毕业设计（论文）外文摘要
Landscape
LaserPoint
Abstract:
3Dlaserscanningtechnologyinlargescaletopographicmappinghascertainresearchandapplication,butbecausethereisnoperfectsoftwarecansatisfytherequirementsfordeletingnon-terrainpointsofpointcloud.Forawiderangeofterrainscanning,likelytocausedatalossandotherreasons,long-termresearchisneededforthematureapplicationintopographicmapfinedrawing.Using3Dlaserscannertoobtainthree-dimensionaldataeasytogeneratemoreaccuratedigitalelevationmodelandsurfacemodelthanconventionalmeasuringmethods,andhadcertainsignificance.Thisstudyisusinglaser-pointclouddatatohaveaexperimentalresearchonthemethodofextractingquarrylandscapefeature.SelectingLiZhuangquarryastheresearchobject,usingLeicaC10scannerinordertoobtainthelaser-pointclouddataandusingtheCyclonesoftwareandGeomagicsoftwareforclouddatapreprocessing,extractingthedatain1mand5mtheintervals.FinallyusingCASS,Surfer,Cyclonesoftwaretoextractthegoemorphicfeaturesandcomparingthanthemwiththedatamearsuredbyconventionalmethods.Theresultsofthestudyshowthat:
threesoftwarecanextractfeatures.TheSurfersoftwareissimple,fastandintuitive,andCycloneismoreaccurate,resultsfullymeettherequirementsofareatopographymeasurement.Thefeaturesextractedbypointclouddatain5mintervalaremoreaccuratethanextractedbytheconventionalmeasurement.
Keywords:
quarry;
landscape;
pointclouddata;
Cyclone;
contourline
1绪论
1.1研究目的与意义
三维激光扫描技术是一门新兴的技术，现在已经广泛应用在建筑、变形监测、设计、土木、文物保护和修复、数字城市、灾害评估、军事等方面。
利用三维激光扫描仪进行地貌测量是目前世界上比较先进的测量方式，具有快速、无接触地获取测区高精度、高密度的点云数据的优势，采集过程简单，利用获得三维数据很容易生成较常规测量方法更为准确的数字高程模型和曲面模型。
传统方法提取测区地貌特征主要是应用摄影测量，全站仪，GPS-RTK等，在小区域或地形较简单平缓中较多使用，而在大区域或地形复杂险恶，传统测量往往无能为力，在复杂地形中和大区域地貌特征提取，具有其独特的优势。
在大区域提取地貌特征时可以用机载LIDAR进行大面积扫描，在室内对得到的点云数据经过一系列的处理后提取地貌特征。
在复杂地形中，通常使用地面三维激光扫描仪对被测区域进行不接触的扫描，从而很好的解决测量人员无法到达测区这项难题。
在一些危险地形，如陡崖的地貌特征，常规的地形很难实现实地测量，而三维激光扫描技术无接触扫描可以很好地解决这一问题，较好地提取地貌特征。
为了使地貌特征更加直观表现出来，可使其生成曲面模型。
三维激光扫描技术虽然相比常规测量方式相对简单，但对于点云数据的后处理较为繁琐，还需投入大量的时间及精力硏发相应软件。
目前，利用三维激光扫描技术来提取地貌特征可以利用CASS、Surfer、Cyclone等三种软件，且三种软件均有各自特性，需对其进行分析与比较。
1.2国内外研究现状
国外一些学者对地貌特征提取进行了研究，MichalKedzierski等[1]通过对多种激光扫描技术进行研究，提出利用手动、半自动和全自动等三种方法分别提取了特征点，评估了其精度并进行比较。
在国内，近年来一些学者也围绕三维激光扫描技术进行了相关研究，取得了一定的研究成果，主要有：
张靖等[2]利用三维激光测量技术进行山区复杂地形的测量，研究表明该技术在复杂地形测量中有着较大的优势；
谢宏全等[3]对三激光扫描技术的数据获取和三维建模等方面进行了研究并与工程实践进行了结合；
孟涛等[4]通过研究三维激光扫描技术在地形测量的应用，证明了该技术应用于地形测量是完全可行的；
尹言军等[5]通过选择不同的地貌测区实验，利用CASS和Surfer两种软件生成等高线进行比较分析，结果表明两种软件在不同方面各有其特性；
吕宝雄等[6]使用三维激光扫描仪对水电站进行了大比例尺地形测量，并对其结果进行分析得出该技术获取的地形图精度满足要求，尤其在高山峡谷等植被稀少，地形较险的地方三维激光扫描仪能体现出其优势。
三维激光扫描技术未来发展趋势如下：
更注重算法精度的提升；
与GPS、全站仪等设备联合测量，实现实时定位、导航以及提高精度；
点云数据处理软件的公用化，实现实时数据的共享，提升数据处理的效率。
三维激光扫描技术正在慢慢地取代传统测量技术[7]。
2点云数据采集及预处理
2.1测区概况
李庄采石场位于连云区云台山街道办事处李庄村李庄水库北侧，行政区划分属于连云区云台山街道管辖。
采石区附近交通便利，西侧有连霍高速、陇海铁路。
采集对象为中上元古界云台岩群花果山岩组（Pt2-3yh）变质岩系，岩性为斜长浅粒岩。
矿石属坚硬脆性岩类，在受挤压等外应力作用下，岩石节理、裂隙较发育，原矿石采出后可用于石子加工、路基铺设等，是理想的建筑石料。
采石场较空旷，由于开采的缘故，采石平面形状不规则，地貌起伏不规律。
植被较少（见图2-1），人流量相对较小，适宜进行地貌特征的提取。
合作单位江苏万源测绘地理信息有限公司在2006年利用RTK技术对采石场进行了1:
2000比例尺的地形图测量，之后采石场经过了不断开采，地貌特征发生了较大的变化，根据相关管理部门需求，需要2006年以后采石场开采量的详细数据。
2.2点云数据获取
为了准确全面地获取李庄采石场激光点云数据，对采石场进行了现场勘察。
采石场数据获取时间是2015年11月17日，为了与合作单位2006年RTK测量的数据进行对比，选择在相同坐标系下获取扫描数据。
根据徕卡C10的特点，需获取两个控制点的坐标。
由江苏万源测绘地理信息有限公司技术人员，采用南方公司的灵锐S82T接收机，在JSCORS系统支持下，采用RTK方式对采石场进行控制点的选取与测量，测量得到A、B点坐标（见表2-1）。
表2-1控制点坐标
点号
X（m）
Y（m）
Z（m）
A
3842256.279
510681.972
21.463
B
3842303.717
510692.227
21.345
根据采石场的地形和范围，将扫描路线设置为闭合导线（见图2-2），共设立12个测站，考虑到实验需求以及数据采集时间和距离问题，采用中等分辨率（10cm/100m），采用全站仪模式获取数据。
每站测量时间大约为30分钟，对于视野开阔地形平坦区域采用矩形扫描[8]，对于地形复杂的区域采用全景扫描，最后测量7个多小时完成采石场的数据采集任务。
2.3点云数据预处理
2.3.1点云数据拼接
将获取到的12个测站的采石场点云数据导入三维激光扫描仪自带的Cyclone8.3软件中，采用自动拼接的功能进行拼接[9]，得到拼接后的点云数据（见图2-3）。
2.3.2确定范围线
在提取地貌特征时，需将2006年的地形图测量数据与三维激光扫描仪测量的数据进行对比，故在处理数据的同时，需要保证两者的范围相同。
主要以2006年地图数据为基础，利用CASS软件确定范围。
具体操作步骤如下:
（1）首先将2006的RTK数据导入AutoCAD中，根据已有的点云将范围线绘制出（见图2-4）。
（2）将范围线复制，利用Cyclone的“RectangleFenceMode”功能选取一层，再利用“CopyFenceToNewModelSpace”，选择点云数据。
（3）将选取好的点云数据通过CloudWorx插件导入AutoCAD中[10]，点击Cloudworx窗口将范围线粘贴到该图上，导入Cyclone软件，按照在CAD中范围线内的区域，将多余部分删除，最后结果如图2-5所示。
2.3.2点云数据去噪和统一化
采石场进行数据获取时，很难避免对周围的多余物体进行数据采集。
该地形其表面上存在一些无关的杂草，及扫描到的无关地形点云等，影响了点云的数据质量，因此必须手工去除[11]。
在ModelSpace窗口中，选用多边形工具，利用“Shift+I”命令删除选中区域内部的点云，“Shift+O”命令删除选中区域内部的点云。
交替使用两种命令将扫描得到的采石场点云数据的噪声点去除。
剔除非地貌数据后的点云数据仍然存在点云分布不均匀、细节过多的问题，如果不进行统一化处理，生成的等高线存在重叠的情况[12]。
因此，需要进行点云数据的统一化来使点云分布均匀。
本实验分别进行了1m和5m等两种点云间隔的统一化处理。
将统一化后的点云数据保存为xyz类型的文件（见图2-6）。
将统一化前后的点云数据进行对比（见图2-7和图2-8）。
2.3.3点云数据精简
经过去噪和统一化的点云数据，仍然存在大面积的重叠区域，如果直接利用这些数据进行地貌特征的提取，会增加计算机软硬件的负荷，无论是存储和运算都需要占据巨大的资源，导致运行速度变慢，甚至软件崩溃等。
后期生成三角网和曲面模型都十分不便。
因此需要在保证点云精度的条件下，进行点云精简，降低点云密度，对其进行精细去噪。
这一过程也称为数据重采样[13]。
数据精简，一共有三种方式：
曲率、格栅和随机采样。
本实验是利用Geomagic软件进行曲率采样。
在对点云数据进行采样时，Geomagic软件中的曲率采样是运用百分比来留取点云。
以下介绍利用Geomagic软件对点云数据进行精简的具体操作步骤如下：
（1）打开Geomagic软件，导入Cyclone软件处理后生成的xyz格式的文件。
在弹出的采样比率的对话框中选择100﹪（见图2-9），然后单击“确定”，导入数据。
（2）单击菜单栏中的“点”→“着色”→“点着色”项，得到着色后的点云数据，并将其与着色前的数据做对比（见图2-10）。
（3）点击“选择”→“非连接项”项来去除非连接项，本实验采用低分隔，尺寸为5。
之后点击“选择”→“体外孤点”项去除体外孤点，设置敏感度为85.0，之后单击应用。
这时要去除的体外孤点呈现红色，点击“确定”键。
后在菜单栏中点击“删除”键，删除体外弧点。
通过上述操作步骤，减除点云数据中的一些明显偏离的噪音点（见图2-11）。
（4）点击“点”→“减少噪音”项，并将偏差限制为0.005m，迭代为1（图2-12），之后单击“应用”→“确定”键，完成噪音减少工作。
此处减少噪音是为了得到更加光滑的曲面。
（5）点击“点”→“统一”项并在弹出的对话框（图2-13）中设置间距设为0.005m并选择保持边界，完成点云采样。
（6）点击“点”→“封装”项并在弹出的对话框（图2-14）中选择噪音的降低方式为“自动”，然后单击“确定”键。
得到封装之后的图像（见图2-15）。
封装后有利于将点云数据封装成三角形网格。
（7）单击工具栏“点”→“转换为点”项，将封装后的三角网格转换成点云数据（见图2-16）。
可看出重采样后仍能保持完整的地貌特征。
（8）点云数据处理完成后，要根据后期处理选择数据文件的输出类型。
单击“保存”项，选择数据文件的保存路径及保存类型，这里选择顶点文件（*.xyz*.asc）类型。
在保存为vtx类型的数据文件后将其后缀改为txt格式，以备在CASS、Surfer和Cyclone软件中提取地貌特征。
（9）从Geomagic软件中导出的数据为vtx格式，这样的数据文件是无法导入到CASS、Surfer和Cyclone软件使用的，所以在导入这些软件之前还需要进行数据格式的转换：
先该文件的vtx格式后缀改为txt格式，即为所需的数据格式，该格式可导入Cyclone软件中进行地貌特征提取。
而txt类型的数据文件需要转化为dat类型的文件才能够在Surfer、CASS软件中提取地貌特征，故需将txt类型的数据文件转化为dat类型的数据文件：
首先在Excel程序中，点击“文件→打开”，在弹出的对话框的文件类型下拉列表中选择“所有文件”，选中坐标数据。
TXT文件后单击“打开”，删除表格里前两行数据，随后任选中其中一列，点击工具栏上的“数据→分列”，选择“分隔符号→下一步”，在弹出的窗口中中勾选“Tab键”、“分号”、“逗号”、“空格”、“其他”，随后点击“完成”，将数据分为了整齐的六列。
由于本实验只需要xy坐标和高程，所以删除后三列多余的数据，并在第一列前插入一列“，”，然后点击“保存”。
随后将该文件以记事本的方式打开，将文本内容中的空格替换为“，”，点击“保存”，得到替换后的数据，最后将“txt”后缀改为“dat”，以备在Surfer和CASS软件中生成等高线（见图2-17）‘。
3利用Cyclone软件提取地貌特征
Cyclone是一款与徕卡三维扫描系统配套的随机数据处理软件，不仅能够进行点云数据预处理，在提取地貌特征等方面也有着独特的优势。
樊琦[14]等证实了针对Cyclone软件提出的建模方法是可行的。
利用Cyclone软件对点云数据提取地貌特征，通常是把经过预处理后的点云数据导入到Cyclone中，通过Mesh功能把点云数据生成TIN模型，还可在TIN模型的基础上生成等高线。
3.1点云数据导入
将预处理后的采石场点云数据导入Cyclone软件。
打开Cyclone软件,选定数据库“1230”。
右击数据库1230，在菜单中选择Import。
在弹出的窗口中勾中“space”、“comma”两个选项（见图3-1），并将数据的“column1”“column2”“column3”分别对应Y、X、Z坐标，之后点击“Import”。
完成数据的导入。
`
3.2点云数据的选择和复制
点击菜单栏“PointClouds”→“SelectAll”→“OK”项选择点云数据，选中所有点云后，点击“Edit”→“Copy”，复制所有点云。
3.3建立坐标系
任意选中一个点，以此为坐标原点建立坐标系，点击“View”→“CoordinateSystem”→“SetfromPoints...”，在弹出的对话框中点击“OK”（见图3-2）。
3.4TIN模型的生成
点击菜单“Tools→“Mesh→CreateMesh”，在弹出的窗口中选择“TINMeshing”项，进行TIN的生成（见图3-3）。
3.5生成等高线
利用Cyclone软件将采石场获取的点云数据生成三维等高线数据，通常在TIN的基础上进行生成[15]。
生成后的三维等高线数据，保存为CASS软件所需的“*.dxf”数据类型。
导入CASS软件中，将5m抽稀后的数据生成绘制的等高线同利用全站仪测得的数据绘制等高线后的图像进行对比。
生成等高线的步骤如下：
（1）剔除多余部分
在生成TIN的基础上：
手动剔除边界外的多余部分。
点击“edit”→“paste”，粘贴所有点云，使点云和Mesh面重叠在一起（图3-4），以便于删除点云边界外多余的Mesh。
使用多边形去噪工具将未覆盖点云的Mesh部分选中后（图3-5）。
（2）删除点云
由于点云和和生成的Mesh面是重叠在一起的，若想单独删除点云，便需要先将Mesh面隐藏，选择“View”→“Layers”，取消“Mesh”后的对勾，完成对Mesh面的隐藏（图3-6）。
之后点击“Selection”→“SelectionAll”→“Delete”删除全部点云。
选择“View”→“Layers”，选中“Mesh”，使隐藏的Mesh面显示出来。
重复以上操作，分别生成1m和5m两种点云数据间隔的TIN（见图3-7和3-8）。
（3）绘制等高线
点击“Tools”→“Contours”→“Creat”项，设置比例尺为1:
2000，等高距为0.1m，计曲线间隔为10，点击“OK”，生成等高线。
重复该操作，分别生成1m和5m两种点云数据间隔的TIN（见图3-9和3-10）。
（4）保存
点击“File”→“Save”将生成的等高线保存为CASS软件所需的“*.dxf”格式。
重复该操作，分别将1m和5m两种点云数据间隔的等高线保存。
（5）导入CASS软件
在CASS软件中分别将Cyclone软件中生成的三个“*.dxf”格式文件导入。
点击工具栏中的“文件”→“打开已有图形”，选择“*.dxf”格式的目标文件，完成导入。
4利用CASS软件提取地貌特征
南方CASS绘图软件是较为常用提取地貌特征的软件，具有其独特的优势。
刘建英等[16]指出CASS软件在绘制等高线方面存在的问题与弊端，并通过实验指出了其解决方法。
利用CASS软件对预处理后的点云数据提取地貌特征，需要经过“定显示区”，“展野外测点点位”,“建立DTM”,“生成等高线”,“删除三角网”，“生成三维模型”等流程。
4.1定显示区
定显示区的目的是为保证导入的数据在图形范围内可以找到。
点击“绘图处理”菜单下的“定显示区”（见图4-1），将会弹出数据文件的对话框，打开经过重采样后的坐标数据文件“*.dat”，选择“OK”，命令区提示：
比例尺1:
<
2000>
：
直接回车，表示比例尺为1：
2000（见图4-2）。
4.2展野外测点点位
点击“绘图处理”菜单下的“展野外测点点位”，打开经过重采样后的坐标数据文件“*.dat”，选择“OK”，将野外测点点位全部展出（见图4-3）。
4.3建立DTM
点击“等高线→建立DTM”，下一步选择“由数据生成DTM”，打开上述实验生成的“*.dat”类型的坐标文件（见图4-4），选择“显示建三角网结果”，选择“OK”，生成DTM（见图4-5）。
4.4绘等高线
点击“等高线→绘等高线”，下一步选择“三次B样条拟合”，点击确定（见图4-6），生成等高线（见图4-7）。
4.5删除三角网
点击“等高线”→“删三角网”，删除三角网，得到删除三角网后的等高线图像（见图4-8）。
4.6绘制三维模型
点击“等高线”→“三维模型”→“绘制三维模型”，在弹出的窗口中选择高程点数据文件，命令区提示：
请输入高程系数：
选择默认的数字“1”，回车。
请输入网格间距：
1
是否拟合：
选择拟合
重复以上操作，分别绘制出1m和5m点云间隔的三维模型（见图4-9和图4-10）。
图4-38不同点云间隔生成的三维模型
5利用Surfer软件提取地貌特征
Surfer软件是一款强大的图像绘制软件，在绘制等值线方面具有其独特的优势，且生成的等值线具有质量高，生成快速，易于操作等特点[17]，12种差值方法使其没有等间距数据也能作图。
一些学者对其进行了研究，王志杰等[18]论述了基于Surfer软件技术的煤矿等值线绘制的原理、方法和步骤。
陈伯恒等[19]运用Surfer软件对矿山地质环境进
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