一種地面三維激光掃描技術(shù)測站選取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地面三維激光掃描技術(shù)野外觀測時(shí)測站的選取技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)也涵蓋了野外測量要求被測對(duì)象與儀器通視時(shí)測站的選取技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，進(jìn)化到面測量方式，它提供了一個(gè)全自動(dòng)、高精度的快速立體掃描方式，能夠直接獲取目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)和灰度信息，為空間信息的采集帶來了一場新的革命。
[0003]三維激光掃描技術(shù)因其高分辨率、高精度、高效率、非接觸測量、主動(dòng)性、數(shù)字化采集等優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛運(yùn)用于測繪工程領(lǐng)域，如地形測繪、公路測繪、鐵路測繪、河道測繪、橋梁及及建筑物測繪、隧道檢測及變形監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、地下工程測繪、礦山測量及體積計(jì)算等領(lǐng)域。
[0004]在地形圖測繪領(lǐng)域中，采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集將逐漸取代傳統(tǒng)的全站儀和RTK采集方式。在進(jìn)行大面積地形測繪時(shí)，相對(duì)于全站儀和RTK采集技術(shù)而言，該技術(shù)中野外測站的選取顯得非常重要，因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)進(jìn)行一次掃描就可以獲取測程范圍內(nèi)的整個(gè)可見區(qū)域，這樣，合理選取測站可以減少工作量、也可以避免重復(fù)掃描，從而達(dá)到提高野外工作效率。
[0005]常規(guī)的測站選取有兩種方式，野外現(xiàn)場選取或者是先在I萬地形圖上粗略選取后再到實(shí)地選定。野外現(xiàn)場選取方式中，可能會(huì)花費(fèi)較長時(shí)間去判斷去哪個(gè)位置才能達(dá)到較好效果，且當(dāng)我們到達(dá)某個(gè)地方準(zhǔn)備架設(shè)儀器后，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多地方因?yàn)榈匦蔚钠鸱辉谝晥龇秶鷥?nèi)，這樣不得不架設(shè)多的測站。當(dāng)我們通過第二種方式先到I萬地形圖上選取在到實(shí)地選定這種方式時(shí)，這種方案不能很好地考慮儀器參數(shù)，比如最小可視距離和最大可視距離、向上掃描最大角度或者向下掃描最大角度，或者不能判斷地形起伏帶了的不確定性，這樣可能會(huì)造成我們以為某個(gè)掃描站點(diǎn)可以看到的區(qū)域卻因?yàn)槌^了視程、上下夾角限制或地形遮擋而不可見，不能達(dá)到想要的效果。綜上所述，這兩種方式都有很大的盲目性和不確定性，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)花費(fèi)更多的走路時(shí)間和掃描次數(shù)，較低生產(chǎn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決三維激光掃描技術(shù)野外掃描測站的選取問題，提供一種可行的、直觀的、優(yōu)化的選取方案，達(dá)到設(shè)置測站最少、保證沒有漏測的情況下盡量減少重復(fù)掃描、節(jié)省野外作業(yè)時(shí)間、提高工作效率。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明是這樣一種地面三維激光掃描技術(shù)測站選取方法，該方法利用計(jì)算機(jī)在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)測站模擬選取，代替常規(guī)的人工現(xiàn)場踏勘選取測站。該方法包括:
收集測區(qū)已有基礎(chǔ)地形數(shù)字資料；
利用測區(qū)已有基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)，對(duì)基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格離散化，每個(gè)柵格記錄位置和高程信息；
在離散化的柵格數(shù)據(jù)上布設(shè)某個(gè)測站，基于數(shù)學(xué)模型判斷柵格數(shù)據(jù)上的每一個(gè)柵格與測站是否通視，并記錄下該測站的能見柵格區(qū)域，用透明圖像顯示出分析結(jié)果，可見與不可見分別采用不同顏色表示；
在柵格數(shù)據(jù)上尋求使測區(qū)所有柵格單元都處于可見的測站選取方案，進(jìn)行多次選取方案的對(duì)比，選取最優(yōu)的方案作為最終的測站選取方案。
[0008]上述方案中，對(duì)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)柵格離散化方法如下:在比測區(qū)稍大一點(diǎn)的范圍內(nèi)，對(duì)XY平面用大小為L米的正方形格網(wǎng)進(jìn)行細(xì)分，L大小不能太大，太大分析結(jié)果不準(zhǔn)，亦不應(yīng)太小，太小數(shù)據(jù)量過大，不利于計(jì)算，這里建議L在0.4-3米范圍內(nèi)。每個(gè)格網(wǎng)除了位置(i，j)信息以外，還有一個(gè)屬性值記錄高程數(shù)據(jù)，其高程數(shù)據(jù)是格網(wǎng)中心點(diǎn)的高程值。其中，比測區(qū)稍大一點(diǎn)的范圍中的稍大是指比測區(qū)范圍大點(diǎn)的范圍并包含測區(qū)。稍大:至少比L大，但又不能太大，最好在10m~20m。
[0009]上述方案中，基于數(shù)學(xué)模型判斷柵格數(shù)據(jù)上的每一個(gè)柵格與測站是否通視方法如下:
1)、第一步，因?yàn)榧す鈷呙鑳x通常有最小量測距離Dmin和最大量測距離Dmax的限制，那么可利用空間距離作為第一個(gè)約束條件，首先通過約束條件:(Dmin〈 Xc-XiK Dmax)and Dmin< Yc-Yi | < Dmax)，這可以算出南北方向、東西方向可能滿足視程區(qū)域，稱其為概略可見候選區(qū)，我們將接下來的搜索區(qū)域限制在這一區(qū)域，這可很大范圍縮小搜索區(qū)域，接著利用空間距離作為約束條件搜索概略可見候選區(qū)的珊格，設(shè)空間距離D=SQRT((Xc-Xi)2+(Yc-Yi)2+(Hc-Hi)2),其中SQRTO為開方，Xe、Yc、He為測站處坐標(biāo)，He為測站處的地形高加上儀器高后的高程，X1、Y1、Hi為待判斷柵格中心坐標(biāo)。當(dāng)某個(gè)待判斷柵格滿足Dmin<D<Dmax時(shí)，將該柵格設(shè)置為可見候選區(qū)，遍歷所有概略可見候選區(qū)的柵格，得到滿足距離條件的區(qū)域，我們?cè)谶@稱其為第一可見候選區(qū)；
2)、第二步，許多地面掃描儀都有上下視角的限制，那么，可利用上下視角限制作為第二個(gè)約束條件，對(duì)第一步所得的可見候選區(qū)集合做進(jìn)一步篩選，獲取第二步可見候選區(qū)集入口 ο
[0010]3)、第三步，利用地形起伏作為最后約束條件，建立可見模型判斷函數(shù)，對(duì)第二步獲取的可見候選區(qū)集合進(jìn)行進(jìn)一步篩選，獲取最終可見區(qū)域。創(chuàng)建一個(gè)結(jié)果柵格數(shù)據(jù)，該柵格數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)柵格大小一致，屬性記錄其可見性，可見記錄為1，不可見記錄為O。同時(shí)用圖像顯示其結(jié)果，將其直觀展示出來，供用戶進(jìn)行下一步測站選取。
[0011]上述方案中，基于數(shù)學(xué)模型判斷柵格數(shù)據(jù)上的每一個(gè)柵格與測站是否通視方法步驟的第二步中，第二個(gè)約束條件，其具體如下:設(shè)柵格(i，j)點(diǎn)高程為H(i，j)，測站點(diǎn)柵格高程加儀器高后的高程為He，測站點(diǎn)到柵格點(diǎn)(i，j)的平面距離為Dxy，上限角為α，下限角為 β，都為正數(shù)，貝lJ當(dāng)判斷條件(Hc-Dxy*Tan(P )=〈 H(i, j)<= He) || (Hc〈 H(i，j)〈=Hc+Dxy*Tan( α ))條件為真時(shí)，將柵格(i, j)作為第二可見候選區(qū)成員。
[0012]上述方案中，基于數(shù)學(xué)模型判斷柵格數(shù)據(jù)上的每一個(gè)柵格與測站是否通視方法步驟的第三步中，利用地形起伏作為最后約束條件，建立可見模型判斷函數(shù)，其具體方法如下:
I)、以測站柵格中心與待判斷柵格中心構(gòu)造二維線段，即不考慮高程，求出與該線段相交的柵格集合S;
2)、以測站柵格中心與待判斷柵格中心構(gòu)造空間線段AB，考慮高程，測站處柵格將考慮儀器高，將該空間線段進(jìn)行偏移A'B'，該線段滿足以下條件:AA'垂直于AB，A與A'高程一致，B與B'高程一致，設(shè)AA'B'B平面的方程為h=f(x，y)，構(gòu)造可見判斷函數(shù)
F (X，y, h) =h-f (X，y)；
3)、遍歷集合S，計(jì)算集合S中每個(gè)柵格中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xi，yi，hi),如果對(duì)于某個(gè)柵格，滿足F(xi，yi，hi)>=0，則可判斷其不可見，如果遍歷集合S中的所有柵格后，都沒有F(xi, yi, hi)>=0,則判斷其可見。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:
1、本發(fā)明提供的這種基于計(jì)算機(jī)模擬測站選取、優(yōu)化測站選取方法可以解決常規(guī)測站選取方法中的盲目性和不確定性，可以提供一種可行的、較優(yōu)的測站布設(shè)方案。這在三維激光掃描儀技術(shù)運(yùn)用于大范圍地形圖生產(chǎn)中提高野外工作效率取到很大作用。
[0014]2、本發(fā)明提供的這種測站選取方法中，是將整個(gè)連續(xù)測區(qū)先進(jìn)行柵格離散化，對(duì)每個(gè)柵格進(jìn)行處理分析，這樣處理每個(gè)柵格比處理連續(xù)區(qū)域簡單得多，實(shí)現(xiàn)起來較為容易。
[0015]3、本發(fā)明提供的這種測站選取方法中，判斷某個(gè)柵格與測站是否可見運(yùn)用的算法簡單、結(jié)果準(zhǔn)確，基于三個(gè)層次的篩選，不是對(duì)所有柵格進(jìn)行同時(shí)滿足三個(gè)條件的篩選，這樣可提尚算法上的效率。
[0016]4.本發(fā)明提供的這種測站選取方法中，所敘述的利用地形起伏作為最后約束條件的理論數(shù)學(xué)模型是嚴(yán)密的，并且該數(shù)學(xué)模型避開了計(jì)算三角正、余切函數(shù)，這就解決了由于方向引起的象限判斷問題。
【附圖說明】
[0017]
圖1是概略可見候選區(qū)示意圖；
圖2是上下限角篩選條件示意圖；
圖3是地形起伏篩選條件示意圖；
圖4是布設(shè)A測站的結(jié)果圖；
圖5是布設(shè)A、B測站的結(jié)果圖；
圖6是布設(shè)A、B、C測站的結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019]本發(fā)明一種地面三維激光掃描技術(shù)測站選取方法，該方法具體步驟如下:
步驟:101:收集測區(qū)已有基礎(chǔ)地形數(shù)字資料；
步驟102:利用測區(qū)已有基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)，對(duì)基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格離散化，每個(gè)柵格記錄位置和高程信息；
步驟103:在離散化的柵格數(shù)據(jù)上布設(shè)某個(gè)測站，基于一定的數(shù)學(xué)模型判斷柵格數(shù)據(jù)上的每一個(gè)柵格與測站是否通視，并記錄下該測站的能見柵格區(qū)域，用透明圖像顯示出分析結(jié)果，可見與不可見分別采用不同顏色表示； 步驟104:在柵格數(shù)據(jù)上尋求一種布設(shè)測站的方法，使測區(qū)所有柵格單元都處于可見，這就得到一種布設(shè)方案；
步驟105:進(jìn)行多次選取方案的對(duì)比，選取一種最優(yōu)的方案作為最終的測站選取方案。
[0020]上述步驟101中，收集測區(qū)已有基礎(chǔ)地形數(shù)字資料，可以是1:2000、1:5000、1:1萬、1:5萬數(shù)字地形圖，也可以是Google earth的地形數(shù)據(jù)。
[0021]上述步驟102中，對(duì)基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格離散化，具體方法如下:在比測區(qū)稍大一點(diǎn)的范圍內(nèi)，對(duì)XY平面用大小為L米的正方形格網(wǎng)進(jìn)行細(xì)分