CN105279305B - 一种地面三维激光扫描技术测站选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面三维激光扫描技术测站选取方法，该方法提出了在室内利用计算机实现测站模拟选取技术，其中该方法包括：获取测区基础地形数字资料；栅格离散化基础地形数据；模拟分析某个测站的可见区，并以栅格图显示其结果；寻求一种可行布设方案；通过多种测站布设方案比较，寻求一种最优的布设方案。达到设置测站最少、保证没有漏测的情况下尽量减少重复扫描、节省野外作业时间、提高工作效率。

Description

一种地面三维激光扫描技术测站选取方法

技术领域

本发明涉及地面三维激光扫描技术野外观测时测站的选取技术领域，同时也涵盖了野外测量要求被测对象与仪器通视时测站的选取技术领域。

背景技术

三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法，进化到面测量方式，它提供了一个全自动、高精度的快速立体扫描方式，能够直接获取目标点坐标和灰度信息，为空间信息的采集带来了一场新的革命。

三维激光扫描技术因其高分辨率、高精度、高效率、非接触测量、主动性、数字化采集等优点，也被广泛运用于测绘工程领域，如地形测绘、公路测绘、铁路测绘、河道测绘、桥梁及及建筑物测绘、隧道检测及变形监测、大坝变形监测、地下工程测绘、矿山测量及体积计算等领域。

在地形图测绘领域中，采用三维激光扫描技术进行野外数据采集将逐渐取代传统的全站仪和RTK采集方式。在进行大面积地形测绘时，相对于全站仪和RTK采集技术而言，该技术中野外测站的选取显得非常重要，因为三维激光扫描技术进行一次扫描就可以获取测程范围内的整个可见区域，这样，合理选取测站可以减少工作量、也可以避免重复扫描，从而达到提高野外工作效率。

常规的测站选取有两种方式，野外现场选取或者是先在1万地形图上粗略选取后再到实地选定。野外现场选取方式中，可能会花费较长时间去判断去哪个位置才能达到较好效果，且当我们到达某个地方准备架设仪器后，会发现许多地方因为地形的起伏而不在视场范围内，这样不得不架设多的测站。当我们通过第二种方式先到1万地形图上选取在到实地选定这种方式时，这种方案不能很好地考虑仪器参数，比如最小可视距离和最大可视距离、向上扫描最大角度或者向下扫描最大角度，或者不能判断地形起伏带了的不确定性，这样可能会造成我们以为某个扫描站点可以看到的区域却因为超过了视程、上下夹角限制或地形遮挡而不可见，不能达到想要的效果。综上所述，这两种方式都有很大的盲目性和不确定性，在实际生产中会花费更多的走路时间和扫描次数，较低生产效率。

发明内容

本发明的目的在于解决三维激光扫描技术野外扫描测站的选取问题，提供一种可行的、直观的、优化的选取方案，达到设置测站最少、保证没有漏测的情况下尽量减少重复扫描、节省野外作业时间、提高工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明是这样一种地面三维激光扫描技术测站选取方法，该方法利用计算机在室内实现测站模拟选取，代替常规的人工现场踏勘选取测站。该方法包括：

收集测区已有基础地形数字资料；

利用测区已有基础地形数据作为源数据，对基础源数据进行栅格离散化，每个栅格记录位置和高程信息；

在离散化的栅格数据上布设某个测站，基于数学模型判断栅格数据上的每一个栅格与测站是否通视，并记录下该测站的能见栅格区域，用透明图像显示出分析结果，可见与不可见分别采用不同颜色表示；

在栅格数据上寻求使测区所有栅格单元都处于可见的测站选取方案，进行多次选取方案的对比，选取最优的方案作为最终的测站选取方案。

上述方案中，对基础地形数据栅格离散化方法如下：在比测区稍大一点的范围内，对XY平面用大小为L米的正方形格网进行细分，L大小不能太大，太大分析结果不准，亦不应太小，太小数据量过大，不利于计算，这里建议L在0.4-3米范围内。每个格网除了位置(i,j)信息以外，还有一个属性值记录高程数据，其高程数据是格网中心点的高程值。其中，比测区稍大一点的范围中的稍大是指比测区范围大点的范围并包含测区。稍大：至少比L大，但又不能太大，最好在10m~20m。

上述方案中，基于数学模型判断栅格数据上的每一个栅格与测站是否通视方法如下：

1)、第一步，因为激光扫描仪通常有最小量测距离Dmin和最大量测距离Dmax的限制，那么可利用空间距离作为第一个约束条件，首先通过约束条件：(Dmin< |Xc-Xi|<Dmax) and Dmin< |Yc-Yi|< Dmax)，这可以算出南北方向、东西方向可能满足视程区域，称其为概略可见候选区，我们将接下来的搜索区域限制在这一区域，这可很大范围缩小搜索区域，接着利用空间距离作为约束条件搜索概略可见候选区的珊格,设空间距离D=SQRT((Xc-Xi)²+(Yc-Yi)²+(Hc-Hi)²),其中SQRT()为开方，Xc、Yc、Hc为测站处坐标，Hc为测站处的地形高加上仪器高后的高程，Xi、Yi、Hi为待判断栅格中心坐标。当某个待判断栅格满足Dmin<D<Dmax时，将该栅格设置为可见候选区，遍历所有概略可见候选区的栅格，得到满足距离条件的区域，我们在这称其为第一可见候选区；

2)、第二步，许多地面扫描仪都有上下视角的限制，那么，可利用上下视角限制作为第二个约束条件，对第一步所得的可见候选区集合做进一步筛选，获取第二步可见候选区集合。

3)、第三步，利用地形起伏作为最后约束条件，建立可见模型判断函数，对第二步获取的可见候选区集合进行进一步筛选，获取最终可见区域。创建一个结果栅格数据，该栅格数据和基础数据栅格大小一致，属性记录其可见性，可见记录为1，不可见记录为0。同时用图像显示其结果，将其直观展示出来，供用户进行下一步测站选取。

上述方案中，基于数学模型判断栅格数据上的每一个栅格与测站是否通视方法步骤的第二步中，第二个约束条件，其具体如下：设栅格(i,j)点高程为H(i,j)，测站点栅格高程加仪器高后的高程为Hc，测站点到栅格点(i,j)的平面距离为Dxy，上限角为α，下限角为β，都为正数，则当判断条件(Hc-Dxy*Tan(β)=< H(i,j)<= Hc) || (Hc< H(i,j)<= Hc+Dxy*Tan(α))条件为真时，将栅格(i,j)作为第二可见候选区成员。

上述方案中，基于数学模型判断栅格数据上的每一个栅格与测站是否通视方法步骤的第三步中，利用地形起伏作为最后约束条件，建立可见模型判断函数，其具体方法如下：

1)、以测站栅格中心与待判断栅格中心构造二维线段，即不考虑高程，求出与该线段相交的栅格集合S;

2)、以测站栅格中心与待判断栅格中心构造空间线段AB，考虑高程，测站处栅格将考虑仪器高，将该空间线段进行偏移A`B`，该线段满足以下条件：AA`垂直于AB，A与A`高程一致，B与B`高程一致，设AA`B`B平面的方程为h=f(x,y)，构造可见判断函数F(x,y,h)=h-f(x,y)；

3)、遍历集合S，计算集合S中每个栅格中心点的三维坐标(xi,yi,hi),如果对于某个栅格，满足F(xi,yi,hi)>=0,则可判断其不可见，如果遍历集合S中的所有栅格后，都没有F(xi,yi,hi)>=0,则判断其可见。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的这种基于计算机模拟测站选取、优化测站选取方法可以解决常规测站选取方法中的盲目性和不确定性，可以提供一种可行的、较优的测站布设方案。这在三维激光扫描仪技术运用于大范围地形图生产中提高野外工作效率取到很大作用。

2、本发明提供的这种测站选取方法中，是将整个连续测区先进行栅格离散化，对每个栅格进行处理分析，这样处理每个栅格比处理连续区域简单得多，实现起来较为容易。

3、本发明提供的这种测站选取方法中，判断某个栅格与测站是否可见运用的算法简单、结果准确，基于三个层次的筛选，不是对所有栅格进行同时满足三个条件的筛选，这样可提高算法上的效率。

4. 本发明提供的这种测站选取方法中，所叙述的利用地形起伏作为最后约束条件的理论数学模型是严密的，并且该数学模型避开了计算三角正、余切函数，这就解决了由于方向引起的象限判断问题。

附图说明

图1是概略可见候选区示意图；

图2是上下限角筛选条件示意图；

图3是地形起伏筛选条件示意图；

图4是布设A测站的结果图；

图5是布设A、B测站的结果图；

图6是布设A、B、C测站的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种地面三维激光扫描技术测站选取方法，该方法具体步骤如下：

步骤:101：收集测区已有基础地形数字资料；

步骤102：利用测区已有基础地形数据作为源数据，对基础源数据进行栅格离散化，每个栅格记录位置和高程信息；

步骤103：在离散化的栅格数据上布设某个测站，基于一定的数学模型判断栅格数据上的每一个栅格与测站是否通视，并记录下该测站的能见栅格区域，用透明图像显示出分析结果，可见与不可见分别采用不同颜色表示；

步骤104：在栅格数据上寻求一种布设测站的方法，使测区所有栅格单元都处于可见，这就得到一种布设方案；

步骤105：进行多次选取方案的对比，选取一种最优的方案作为最终的测站选取方案。

上述步骤101中，收集测区已有基础地形数字资料，可以是1:2000、1:5000、1:1万、1:5万数字地形图，也可以是Google earth的地形数据。

上述步骤102中，对基础源数据进行栅格离散化，具体方法如下：在比测区稍大一点的范围内，对XY平面用大小为L米的正方形格网进行细分，L大小不能太大，太大分析结果不准，亦不应太小，太小数据量过大，不利于计算，这里建议L在0.4-3米范围内，将其设为1后，距离可直接用栅格行、列表示，这样计算更加方便。每个格网除了位置(i,j)信息以外，还有一个属性值记录高程数据，其高程数据是格网中心点的高程值。

上述步骤103中，模拟分析某个测站的可见区，并以栅格图显示其结果，具体包括如下：

步骤1031，因为激光扫描仪通常有最小量测距离Dmin和最大量测距离Dmax的限制，那么以距离为第一个约束条件，进行可见候选区的第一次筛选，得到第一可见候选区集合，具体包括：

1)、以XY平面作为约束条件，首先通过约束条件：(Dmin< |Xc-Xi|< Dmax) andDmin< |Yc-Yi|< Dmax), Xc、Yc为测站处坐标， Xi、Yi为待判断栅格中心坐标，这可以算出南北方向、东西方向可能满足视程条件的区域，我在这称其为概略可见候选区，如附图1所示：中间的斜杠区域为概略可见候选区，这样，我们将后续搜索范围缩小到该区域，可节约搜索时间。

2)、接下来设空间距离D=SQRT((Xc-Xi)²+(Yc-Yi)²+(Hc-Hi)²),其中SQRT()为开方，Xc、Yc、Hc为测站处坐标，Hc为加上仪器高后的栅格高，Xi、Yi、Hi为待判断栅格中心坐标。当某个待判断栅格满足Dmin<D<Dmax时，将该栅格设置可见候选区，遍历所有概略可见候选区的栅格，得到满足距离条件的区域，我们在这称其为第一可见候选区；

步骤1032，许多地面扫描仪都有上下视角的限制，那么，可利用上下视角限制作为第二个约束条件，对第一步所得的可见候选区集合做进一步筛选，获取第二步可见候选区集合，具体包括：

对步骤1031获取的第一可见候选区栅格进行遍历，如附图2所示：设栅格(i,j)为第一可见候选区集合，该点高程为H(i,j),测站点栅格高程加仪器高后的高程为Hc，测站点到栅格点(i,j)的平面距离为Dxy，上限角为α，下限角为β，都取正数，则当判断条件(Hc-Dxy*Tan(β)=< H(i,j)<= Hc) || (Hc< H(i,j)<= Hc+Dxy*Tan(α))条件为真时，将栅格(i,j)作为第二可见候选区成员。

步骤1033，利用地形起伏作为最后约束条件，建立可见模型判断函数，对第二步获取的可见候选区集合进行进一步筛选，获取最终可见区域集合。如附图3所示，具体包括如下：

1)、以测站栅格中心与待判断栅格中心构造二维线段，即不考虑高程，求出与该线段相交的栅格集合S，在附图3中标有点状符号的栅格区域;

2)、以测站栅格中心与待判断栅格中心构造空间线段AB，考虑高程，测站处栅格将考虑仪器高，将该空间线段进行偏移A`B`，该线段满足以下条件：AA`垂直于AB，A与A`高程一致，B与B`高程一致，设AA`B`B平面的方程为h=f(x,y)，构造可见判断函数F(x,y,h)=h-f(x,y)；

3)、遍历集合S，计算集合S中每个栅格中心点的三维坐标(xi,yi,hi),如果对于某个栅格，满足F(xi,yi,hi)>=0,则可判断其不可见，如果遍历集合S中的所有栅格后，都没有F(xi,yi,hi)>=0,则判断其可见。

步骤1034，创建一个结果栅格数据，该栅格数据和基础数据栅格大小一致，属性记录其可见性，可见记录为1，不可见记录为0。用透明图像显示其结果，不同颜色显示可见和不可见属性，将其直观展示出来，供用户进行下一步测站选取参考。

上述步骤104中，寻求一种可行性布设方案，具体包括：在栅格离散化的基础数据上选取多个测站，每选取一个测站就显示相应的可见区域，这样直到整个测区都处于可见时，这些布站就是一个可行的布设方案。如附图4所示，在栅格上布设A测站后，得到A测站的可见区域，接着布设B站，附图5显示了布设了A、B站后的可见区域，再接着布设C测站，如附图6所示，布设完A、B、C后的可见区域，如此下去，直到测区所有栅格全部可见为止，这就是一种可行布设方案。

上述步骤105中，进行多次选取方案的对比，选取一种最优的方案作为最终的测站选取方案，具体包括：按照104步骤中寻求多个可行性布设方案，然后综合对比这些选取方案，如测站数较少、哪种方式人行走的路程较少，哪种方式爬山较少等等多种因素，最后得出一种可行的较优测站布设方案。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种地面三维激光扫描技术测站选取方法，其特征在于：该方法利用计算机在室内实现测站模拟选取，代替常规的人工现场踏勘选取测站，该方法包括如下步骤：

收集测区已有基础地形数字资料；

利用测区已有基础地形数据作为源数据，对基础源数据进行栅格离散化，每个栅格记录位置和高程信息；所述基础源数据进行栅格离散化的方法如下：在比测区稍大一点的范围内，对XY平面用大小为L米的正方形格网进行细分，L在0.4-3米范围内；每个格网除了位置信息以外，还有一个属性值记录高程数据，其高程数据是格网中心点的高程值；

在离散化的栅格数据上布设一个测站，基于数学模型判断栅格数据上的每一个栅格与测站是否通视，并记录下该测站的能见栅格区域，用透明图像显示出分析结果，可见与不可见分别采用不同颜色表示；

在栅格数据上寻求使测区所有栅格单元都处于可见的测站选取方案，进行多次选取方案的对比，选取最优的方案作为最终的测站选取方案；具体包括：在栅格离散化的基础数据上选取多个测站，每选取一个测站就显示相应的可见区域，这样直到整个测区都处于可见时，这些布站就是一个可行的布设方案；

所述基于数学模型判断栅格数据上的每一个栅格与测站是否通视的方法如下：

第一步：利用空间距离作为第一个约束条件，首先通过约束条件：(Dmin< |Xc-Xi|<Dmax) and（Dmin< |Yc-Yi|< Dmax)，算出南北方向、东西方向满足视程区域，将其作为概略可见候选区，将接下来的搜索区域限制在这一区域；接着利用空间距离作为约束条件搜索概略可见候选区的栅格，设空间距离D=SQRT((Xc-Xi)²+(Yc-Yi)²+(Hc-Hi)²)；其中SQRT()为开方，Xc、Yc、Hc为测站处坐标，Hc为测站处的地形高加上仪器高后的高程，Xi、Yi、Hi为待判断栅格中心坐标；当某个待判断栅格满足Dmin<D<Dmax时，将该栅格设置为可见候选区，遍历所有概略可见候选区的栅格，得到满足距离条件的区域，将其作为第一可见候选区；

第二步：利用地面扫描仪的上下视角限制作为第二个约束条件，对第一步所得的可见候选区集合做进一步筛选，获取可见候选区集合作为第二可见候选区；

第三步：利用地形起伏作为最后约束条件，建立可见模型判断函数，对第二步获取的可见候选区集合进行进一步筛选，获取最终可见区域；创建一个结果栅格数据，该栅格数据和基础数据栅格大小一致，属性记录其可见性，可见记录为1，不可见记录为0；同时用图像显示其结果，将其直观展示出来，供用户进行下一步测站选取。

2.根据权利要求1所述的地面三维激光扫描技术测站选取方法，其特征在于：第二步中，第二个约束条件具体如下：设栅格(i,j)点高程为H(i,j)，测站处的地形高加上仪器高后的高程为Hc，测站点到栅格点(i,j)的平面距离为Dxy，上限角为α，下限角为β，都为正数，则当判断条件(Hc-Dxy*Tan(β)<= H(i,j)<= Hc) || (Hc< H(i,j)<= Hc+Dxy*Tan(α))条件为真时，将栅格(i,j)作为第二可见候选区成员。

3.根据权利要求1所述的地面三维激光扫描技术测站选取方法，其特征在于：第三步中，利用地形起伏作为最后约束条件，建立可见模型判断函数，其具体方法如下：

以测站栅格中心与待判断栅格中心构造二维线段，不考虑高程，求出与该线段相交的栅格集合S；

以测站栅格中心与待判断栅格中心构造空间线段AB，考虑高程，测站处栅格将考虑仪器高，将该空间线段进行平移A`B`，该线段满足以下条件：AA`垂直于AB，A与A`高程一致，B与B`高程一致，设AA`B`B平面的方程为h=f(x,y)，构造可见判断函数F(x,y,h)=h-f(x,y)；

遍历集合S，计算集合S中每个栅格中心点的三维坐标(xi,yi,hi)，如果对于某个栅格，满足F(xi,yi,hi)>=0，则判断其不可见，如果遍历集合S中的所有栅格后，都没有F(xi,yi,hi)>=0，则判断其可见。