届学生毕业设计论文综合测绘工程厉堃.docx
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届学生毕业设计论文综合测绘工程厉堃
本科毕业设计（论文）
平坦区域等密度激光点云数据
获取方法试验研究
ExperimentalResearchonObtainingMethodofEquivalentDensityDataofLaserPointCloudintheFlatArea
学院：
测绘工程学院
专业班级：
测绘工程测绘121
学生姓名：
厉堃
学号：
2012122812
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
平坦区域等密度激光点云数据获取方法试验研究
摘要：
基于三维激光扫描仪的工作原理，传统的测量方式会导致点云密度不均匀，扫描时间过长等诸多问题。
本论文将针对平坦区域采取分区扫描进行试验研究。
使用徕卡C10进行初步试验，确定合适的扫描半径及水平（竖直）间距，再以单站方式分5个环带进行整体和分区扫描对比试验，并利用Cyclone8.0软件对数据进行处理，提取点间距、点云密度、扫描时间等参数指标进行对比分析。
针对条带状区域采用多站扇形分区及标靶拼接方式获取点云数据，共测三站每站扫描两环。
针对矩形区域采用多站环形分区及全站仪模式获取点云数据，共测四站每站扫描四环，扫描结果覆盖试验场地且点云分布均匀。
研究结果表明：
在平坦区域分区扫描方法可以获得等密度激光点云数据，具有扫描时间较短、文件字节数较小，提高利用效率的优势，分区扫描方法具有较好的应用前景。
关键词：
平坦区域；等密度；点云数据；分区扫描；扫描半径
毕业设计（论文）外文摘要
ExperimentalResearchonObtainingMethodofEquivalentDensityDataofLaserPointCloudintheFlatArea
Abstract:
Basedontheworkingprincipleof3Dlaserscanner,thetraditionalwaytomeasurewillleadtounevendensitypointcloud,scanningtimeistoolong,andmanyotherissues.Thisthesiswilltakepartitionscantestresearchonflatareas.ConductedpreliminarytestwithLeicaC10,determinetheappropriatescanradiusandhorizontal（vertical）spacing,thensplit5annulustocontrastoverallandpartitionscantestwithasinglestationmode,andcontrasteddatawithCyclone8.0software,extractpointspacing,pointclouddensity,scanningtimeandotherparametersindicatorswereanalyzed.Usedmulti-stationsectorandpartitiontargetsplicingtoobtainpointclouddataforbandedarea,itwasmeasuredinthreestationsandeachstationscanhastworings.Usedannularpartitionandmulti-stationtotalstationmodetoobtainpointclouddataforrectangulararea,itwasmeasuredinfourstationsandeachstationscanhasfourrings,scanresultscoverthetestsiteandthepointclouddistribution.Theresultsshowthat:
intheflatregionpartitionscanningmethodcanobtaindensitylaserpointclouddata,withshorterscanningtime,filesizeinbytesforsmaller,andimprovetheefficiencyintheuseofpartitionscanningmethodhasgoodapplicationprospect.
Keyword:
flatarea;equaldensity;pointclouddata;sub-regionalscanning;scanningradius
目录
1绪论1
1.1研究目的与意义1
1.2国内外研究现状1
2分区扫描原理简介2
2.1激光点云分布原理2
2.2分区扫描原理3
2.3扫描半径确定4
2.4局部扫描试验5
3分区扫描试验研究8
3.1试验方案设计8
3.2数据获取流程9
3.3结果统计与分析13
4多站分区扫描试验研究14
4.1扇形分区扫描15
4.2环形分区扫描19
4.3结果分析21
结论22
致谢23
参考文献24
1绪论
1.1研究目的与意义
三维激光扫描技术是近年来发展较快的新兴测绘技术，其具有数据获取速度快、扫描精度高、不接触被测物体以及能快速获取密集点云等优势，具有较好的发展前景[1-6]。
地形测量是三维激光扫描应用的一个重要方面,随着三维激光扫描仪在地形测量方面应用的日益广泛，在对平坦区域进行数据获取时，由于三维激光扫描仪的工作原理导致了点云密度严重不均匀，从而导致扫描时间过长，降低工作效率。
本文在深入分析激光点云分布原理的基础上，采取分区扫描的测量方法，为获取等密度的点云数据，对不同环带设置不同的扫描参数，选择合理的扫描半径，减少文件字节，缩短扫描时间，保证点云密度，提高对平坦区域测量的工作效率。
1.2国内外研究现状
在国外，三维激光扫描仪运用广泛，已经逐渐应用于日常测量，并且在地形测量中有着较为广阔的应用。
迪米特里温[7]通过对朗基蒂凯峡谷进行的地形测量展示了三维激光扫描仪在复杂地形中如何快速、有效的获取点云数据，并且通过多次试验进行对比，阐述了在地形测量中引起点云分布不均匀的来源以及相对应的处理方法，并对点云数据获取方法进行了进一步的深入研究与探讨。
在国内，近年来一些学者进行了相关研究，取得了一定的研究成果，主要有：
欧斌[8]研究了三维激光扫描技术的点云数据获取方法，并深入剖析每种方法的优劣，并阐述各种方法的适用范围；周鹏等指出在地形测量一体化中，三维激光扫描技术具有无需接触被测地形、高效率、高精度、快速获取高密度三维点云数据的优势[9]；张文超等[10]通过分析三维激光扫描仪的现状，对比传统数据采集方式，探讨了三维激光扫描技术在地形测量中的优势；刘舜等[11]阐述了点云密度的不均匀导致所建立的模型不能准确地反映实体的形态变化，并通过研究建立曲面模型去减少点云密度不均匀所带来的影响；刘会云等[12]指出三维激光扫描仪对平缓地形扫描作业时存在点密度不均匀的缺陷，并通过实验证明了分区扫描方法具有的优势。
综上所述，国内诸多学者做了相关研究，但在平坦区域获取等密度点云数据中仍然存在许多问题，本文采用徕卡C10扫描仪通过试验确定合理的分区扫描方法，针对条带状和矩形区域分别进行扫描试验，对获取的激光点云数据进行了详细分析。
2分区扫描原理简介
2.1激光点云分布原理
在对平坦区域采取地面三维激光扫描时，点云数据的获取一般都是采用整体扫描的传统测量方式，因此会造成点云密度不均匀，导致靠近测站的点云会较为密集，而远处边缘的点云会较为稀疏，从而导致冗余数据繁多且杂乱及扫描时间过长等缺陷。
当地面三维激光扫描仪工作时，在仪器高度（
）一定的情况下，同一条竖直扫描线内，随着扫描垂直角度（
）的增加，扫描半径（
）逐渐增大，点云间距在逐渐增大，如图2-1所示,根据三角形几何原理可计算得扫描半径为：
（2-1）
假设仪器高为1.6m，根据公式（2-1）可计算出不同扫描半径所对应的扫描垂直角度，如表2-1所示。
表2-1扫描半径与扫描垂直角度对照表
扫描半径（ｍ）
1.6
5
20
35
50
70
垂直角度（°）
-45
-17.94
-4.57
-2.62
-1.83
-1.31
传统的整体扫描会导致点云密度的不均匀，图2-2为激光点云数据分布原理图，从图2-2中可以看出，激光扫描点在仪器中心附近，点云间距较小，密度较大，随着距离的增加，扫描点密度逐渐减小，在边缘区域使得点云间距较大，密度较小[12]。
三维激光扫描仪在平坦区域测量中点云分布非常不均匀，越靠近测站点云越密集，而边缘的点云密度较小，这是整体扫描测量方法存在的主要问题。
2.2分区扫描原理
本次试验针对平坦区域进行三维激光扫描获取数据，目的是为了尽可能获得等密度的点云数据。
上述指出，通常的测量方法会导致点云密度不均匀，而点云密度的不均匀会导致建立的模型不能准确地反映实体的变化，在点云较为稀疏的区域可能会漏掉某些特征信息[11]。
如果要使边缘点云间距增加到需求精度，势必要增加扫描点密度，因此会造成数据获取时间的大幅度增加，从而导致工作效率降低[11]。
针对这一问题，我们选用了分区扫描的方法进行试验研究。
分区扫描即根据扫描地点到仪器中心的距离不同，将扫描区域分成若干环形，并根据所要求的精度，对不同环带分别设置不同的扫描参数，然而在同一环带内，外边缘的点云密度仍然大于环带内边缘点云密度，因此每个环带所跨范围不宜过大每个环带应选取合适的边缘比例。
2.3扫描半径确定
本次研究采用徕卡C10三维激光扫描仪对平坦区域进行试验，根据分区扫描的原理，需对各环分辨率进行合理设置，即设置不同扫描半径下的水平间距和竖直间距[20]，水平间距根据需求选取。
由于本次试验针对平坦区域进行试验研究，获取的点云数据在同一平面内，因此仪器设置的竖直间距可由其在地面上的投影计算得到：
（2-2）
式中
为仪器参数中的竖直间距，
为投影到地面上的竖直间距，
为垂直角度。
分区环数与扫描半径的设置既要满足点云密度均匀分布又要减少扫描时间，因此要对分区环数及扫描半径进行合理设置。
根据相似性原理可知扫描半径与点云密度成正比，通过试验进一步验证，设置50m为最大扫描半径，水平间距为5cm，图3为30m环与50m环带交界处，从图中可知水平间距为3cm时恰好在30m边界处，因此扫描半径的选取可根据需求的点云间距进行设定。
通过试验得知将各环边缘点云间距比设置在60％，分区环数在4-5环，可以将效率最大化，如图2-4所示，以此类推设定扫描半径，可以将密度稳定在要求的范围内。
图2-4扫描半径与点云密度关系图
2.4局部扫描试验
设计局部扫描试验对分区扫描进一步验证与研究，选取淮海工学院苍梧校区图书馆西边小路分别进行整体扫描与分区扫描试验，并进行对比分析。
2.4.1仪器选择
徕卡ScanStationC10是体现了最新三维激光扫描技术的代表产品，一体化设计，不仅能保证了扫描的精度和质量，同时还提高了工作效率和可用性,该仪器已经成为便携式的高端测绘设备：
全景测量；高精度；远距离扫描；图形化的控制界面；功能强大的视频/照相采集；一体的数据存储等等。
2.4.2整体扫描试验
参数设置：
仪器高为1.6m，竖直角度顶部为-45°，底部为-1.83°，水平间距为5cm，竖直间距为0.2cm（以最远距离精度要求设置），扫描结果如图2-5所示。
实验步骤：
架设仪器-进入状态界面对中整平-新建工程-新建站-参数设置-quickscan（选取左右边界）-分辨率设置-开始扫描。
扫描结果如图2-5所示。
图2-6为整体扫描在最外边缘点云分布示意图，由图2-6可知最远距离点云水平间距大致在5cm左右，符合设计所需求的精度。
图2-7为整体扫描内环点云分布示意图，由图2-7可知，扫描距离越短，点云越密集，越杂乱。
内环点云水平间距大致在0.2cm左右，远远高于所需要的精度要求。
2.4.3分区扫描实验
扫描仪器参数设置如表2-2所示。
表2-2参数设置表
扫描半径（ｍ）
1.6
3
10
18
30
50
垂直角度（°）
-45
-28.08
-9.09
-5.08
-3.06
-1.83
水平间距（cm）
5
5
5
5
5
竖直间距（cm）
2.7
0.8
0.5
0.3
0.2
试验步骤：
以30到50m环带为例，架设仪器，在视场设置中设置顶部-1.83°，底部-3.06°，分辨率设置中设置距离为50m，水平间距为0.05m，竖直间距为0.002m。
设置完成，点击扫描，按相同步骤扫描余下四环。
扫描结果如图2-8所示。
图2-8整体点云分布图
图2-9为分区扫描50m最外环边缘点云分布示意图，由图2-9可知最外环点云水平间距大致5cm左右，符合所需求精度。
图2-9外边缘点云分布图
图2-10为分区扫描50m环带的内边缘点云分布示意图，由图2-10可知，点云水平间距在3cm左右，符合设定60%的比例要求。
图2-10交界处点云分布图
图2-11为30m扫描环带的外边缘点云分布示意图，由图可知30m环带外边缘点云水平距离在5cm左右，并与上一环带拼接良好，既保证了扫描的全面性，有将点云密度稳定在所需求的范围内。
图2-11交界处点云分布图
根据上述试验，可以得知分区扫描方法的可行性，可以有效的解决三维激光扫描仪在平坦区域进行测量时所带来的点云密度不均匀的问题。
3分区扫描试验研究
3.1试验方案设计
3.1.1试验场地
淮海工学院苍梧校区训练场视野开阔，地形平坦，经试验分析，人造草坪对于激光的反射率良好，不影响数据采集，故选择此处作为试验场地。
3.1.2仪器选择
徕卡ScanStationC10三维激光扫描仪。
3.1.3方案设计
通过对淮海工学院西体育场分别进行整体扫描与分区扫描试验，整体扫描以50m为扫描半径，仪器高1.6m进行扫描，分区扫描设置为5个环带，扫描半径分别为50m、30m、18m、10m以及3m，通过计算，得到各扫描半径所对应的扫描参数。
为提高数据的可靠性，分别进行5cm精度与10cm精度两次试验进行对比分析。
3.2数据获取流程
3.2.15cm精度整体扫描
参数设置：
扫描半径为50m，水平间距为5cm，竖直间距为0.2cm。
仪器操作步骤：
选取体育场中心点架设仪器，量取仪器高，进入状态界面点击对中整平。
点击进入新建的工程，由于是单站测量，选择新建站，进入参数设置界面，视场设置中左右为水平角，左边界设置为0°，右边界为360°，顶部-1.83°，底部-45°，整体扫描只需设置单站即可。
自定义分辨率设置选取全景扫描，设置距离为50m，水平间距设为0.05m，竖直间距为0.002m，设置完成后，开始扫描，开始约10秒后仪器会显示扫描进度（记录扫描时间），扫描结束可以初步查看图像质量。
视场设置如图3-2所示。
分辨率设置如图3-3所示。
将扫描数据导入Cyclone8.0，直接查看结果[16,17]，如图3-4。
3.2.25cm精度分区扫描
参数设置如表3-1所示。
表3-15cm精度参数设置表
扫描半径（ｍ）
1.6
3
10
18
30
50
垂直角度（°）
-45
-28.08
-9.09
-5.08
-3.06
-1.83
水平间距（cm）
5
5
5
5
5
竖直间距（cm）
2.7
0.8
0.5
0.3
0.2
仪器操作步骤：
分区扫描以30到50m环带为例，视场设置为顶部-1.83°，底部-3.06°。
分辨率设置为距离50m，水平间距0.05m，竖直间距0.002m。
设置完成，点击扫描，记录扫描时间，查看图像质量。
同上述操作，对分区其余4环进行扫描。
扫描结果如图3-5所示。
由图3-5可以明显看出环带的分布，各环带半径与设定一致，且点云分布也较为均匀。
3.2.310cm精度整体扫描
参数设置：
扫描半径为50m，水平间距为10cm，垂直间距为0.4cm。
仪器操作同5cm精度整体扫描试验，扫描结果如图3-6所示。
3.2.410cm精度分区扫描
参数设置见表3-2，操作步骤同5cm精度分区扫描试验步骤，扫描结果如图3-9所示。
表3-210cm精度参数设置表
扫描半径（ｍ）
1.6
3
10
18
30
50
垂直角度（°）
-45
-28.08
-9.09
-5.08
-3.06
-1.83
水平间距（cm）
10
10
10
10
10
竖直间距（cm0
5.4
1.6
1
0.6
0.4
3.3结果统计与分析
根据上述两组试验对比，通过Cyclone8.0软件对点云进行统计与处理，提取出相关指标数据信息，见表3-3，表3-4，表3-5，表3-6。
表3-35cm精度分区扫描结果分析
环带编号
环带实际宽度（m）
实际
点数
（个）
环带面积
（
）
水平间距（cm）
垂直间距（cm）
平均点密度（个/
）
扫描时间
内边缘
外边缘
内边缘
外边缘
1
20
3336547
5027
3.1
5.1
2.2
5.0
664
10′33″
2
12
1330434
1810
3.0
5.1
2.2
5.0
735
7′22″
3
8
462174
704
2.8
5.0
2.4
5.5
657
5′35″
4
7
316540
286
1.6
5.1
1.4
5.3
1107
1′32″
5
1.4
12064
20
2.6
4.9
2.8
6.0
596
0′28″
表3-45cm整体扫描结果分析
实际点数（个）
环带面积
（
）
水平间距（cm）
垂直间距（cm）
平均点密度（个/
）
扫描时间
内边缘
外边缘
内边缘
外边缘
110505274
7854
0.2
5.1
0.1
5.2
14070
90′11″
表3-510cm精度分区扫描结果分析
环带编号
环带实际宽度（m）
实际
点数
（个）
环带面积
（
）
水平间距（cm）
垂直间距（cm）
平均点密度（个/
）
扫描时间
内边缘
外边缘
内边缘
外边缘
1
20
833228
5027
6.0
10.5
4.1
10.8
166
5′18″
2
12
331584
1810
6.3
11.3
4.3
9.6
183
3′42″
3
8
142336
704
5.8
10.1
4.1
9.9
202
2′14″
4
7
103630
286
3.9
10.1
3.0
9.2
363
0′28″
5
1.4
3008
20
5.3
10.9
4.0
10.0
150
0′29″
表3-610cm整体扫描结果分析
实际点数（个）
环带面积
（
）
水平间距（cm）
垂直间距（cm）
平均点密度（个/
）
扫描时间
内边缘
外边缘
内边缘
外边缘
28899970
7854
0.3
9.9
0.2
10.5
3680
28′16″
表3-7文件字节数
扫描方式
5cm精度文件字节
10cm精度文件字节
整体扫描
2.20GB
564MB
分区扫描
104MB
27MB
在表3-3至3-6中，实际点数可以由Cyclone8.0软件直接得到。
环带面积为外圆面积与内圆面积的差值。
边缘点水平（竖直）间距可通过Cyclone8.0软件对各环带进行量取，随机选取5对点云取平均值。
平均点密度为实际点数/环带面积。
扫描时间在仪器扫描时根据仪器进度显示进行记录获取。
由表3-3至3-7对比分析得出如下结论：
（1）整体扫描点间距相差较大，水平间距大约在0.2-5cm之间，竖直间距大约在0.1-5cm之间，分区扫描环带内水平间距大约在3-5cm之内，竖直间距大约在2-5cm之间，因此，分区扫描优于整体扫描。
（2）整体扫描平均点云密度过大，约为14070个，分区扫描各环带内点云密度相差较小，相对较为均匀，总平均密度约为752个，整体扫描平均密度约为分区扫描平均密度的20倍。
（3）整体扫描共用时90分钟，分区扫描用时约为30分钟（包括每一站参数设置操作时间在内），因此整体扫描所用时间约是分区扫描所用时间的3倍，分区扫描节约了扫描时间，提高了工作效率。
（4）整体扫描的文件字节数为2.20GB，分区扫描的文件字节数为104MB。
分区扫描的文件大小远小于整体扫描的文件大小，方便了文件操作，并大大节约了文件存储空间。
4多站分区扫描试验研究
通过第三章得出的结论，分区扫描可以有效的解决点云数据分布不均匀的弊端，并且可以大大的提高工作效率，继而将目光放到多站测量中，验证其可行性。
试验采取扇形分区与环形分区两种分区方法进行，并分别采用不同的拼接方法进行试验。
4.1扇形分区扫描
4.1.1方案设计
对校园北边道路进行扇形分区扫描，场地采取标靶拼接法，道路宽10米，测三站，每个测站扫两个环，两个环的扫描半径分别为30m，18m。
每个测站之间距离20m，如图4-1所示。
4.1.2试验步骤
将仪器架设到道路中间，对中整平，根据上述设计，每站扫描两个环带，分别为10-18m及18-30m，根据计算得到相应垂直垂直角度进行视场设置，分辨率设置为水平间距5cm，
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