门控系统
第35卷第3期
2010年5月
测绘科学
Sc i ence of Surveying and M app i ng
Vol135No13
M ay1
作者简介：李亮(19832)，男，河南南
阳人，中国矿业大学环境与测绘学院,
在读博士研究生，从事大地测量、开采
沉陷规律、开采损害及防护的研究。
E2m a i:l LL14408@to m1co m
收稿日期:2008211217
基金项目：环保公益性行业科研专项
(200809128)
李亮¹º，吴侃¹º，刘虎¹º，郝刚¹º
(¹中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008;º江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221008)
=摘要>本文基于地面三维激光扫描技术用于地形测量时点云数据的特点，得到引起结果存在粗差的障碍物上的点云具有坡度大于实际地形上坡度的特征，并据此提出了一种实用的粗差提取算法。对算法
的原理、实现过程和其中重要参数的确定进行了分析，并编程实现了算法。最后，应用实例对粗差提取效果进行了检验，证明了算法的可行性和可靠性。 =关键词>三维激光扫描；点云；粗差剔除；地形测量
=中图分类号>TP391=文献标识码>A=文章编号>100922307(2010)0320187203
1引言
三维空间信息技术是当前地球空间信息科学研究的热
点问题之一[1]。准确描述三维空间信息的数据是进行地球
空间信息研究的基础，使得三维数据实时获取在空间信息
科学领域显得尤为重要[2]。地面三维激光扫描技术就是这
个信息时代的产物，有人称三维激光扫描技术是继GPS技
术以来在测绘领域的又一次技术革命。
三维激光扫描系统具有快速性、不接触性、实时、动
态、主动性、高密度、高精度和自动化等优点，可以快速
地获取被测区域的海量三维点云数据[3]。在这些数据里面,
有进行成图、建模和分析等所需要的数据，也不可避免的
存在一些影响测量结果的数据。如城市建筑物扫描过程中,
移动的车辆、行人树木的遮挡，及实体本身的反射特性不
均匀，导致最终获取的扫描点云数据内可能包含错误的
点[2]。需要对这部分点云数据进行处理，进行粗差的剔除,
以保证测量结果的可信性。本文基于地面三维激光扫描系
统测量数据的特点，针对其在地形测量中的应用，提出一
种实用的粗差剔除算法，并编程实现了其对点云数据中有
用信息的提取。
2地面三维激光扫描原理及点云数据特点
三维激光扫描系统在进行扫描时，首先由激光脉冲二
极管发射出脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后通
过探测器，接收反射回来的信号，并由记录器记录，最后
转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件实现实体
建模输出[4,5]。
图1地面三维激光扫
描地形测量示意图
以Tri m ble GX200三
维激光扫描系统为例，其
进行地形测量示意图如图
1所示，靠近扫描仪的区
域其点云密度较大，远离
扫描仪的区域点云较为稀
疏[6]，即各点间的距离近似与点与扫描仪间的距离L成
正比。
当有激光束不能穿越的障碍物存在时，扫描得到的点
云数据为障碍物上的信息，而障碍物遮挡部分的数据无法
获取。
在站点坐标和后视点坐标已知的情况下，三维激光扫
描系统测量得到的点云数据为各测点的三维坐标[7]，对点
云数据的处理等价于对各点三维坐标的处理。
防尘接线盒
3粗差剔除原理
从地面三维激光扫描原理及点云数据特点可以看出,
不考虑仪器因素，造成粗差数据存在的主要原因是障碍物
的存在导致激光束反射回来得到的信息为障碍物的信息,
而不是障碍物后面的地形信息。因此在进行地形建模时,
需要剔除采集到的障碍物上面的点云数据。
在地形测量中，这些障碍物主要为树木、建筑物、人
工堆积物等。这些物体要阻碍激光束传播需要有一个共同
特点：有一定的高度(如图1)。因此，障碍物上的点云数据
金量子有一个明显的特点A：即有一部分点的高程是明显要大于
周围地表高程。并且由于其具有一定的高度，障碍物上的
点云数据有一个共同特点B：即各点在平面位置上的投影
点之间的距离要小于无阻挡物存在时的距离，障碍物上的
点组成的面的坡度要大于无障碍物存在时地形的坡度。因
此，可以根据特点A提取出一部分明显的粗差点M，然后
以点M为索引，根据实地观测到的障碍物的特点，确定其
在平面上的最大影响半径R。以M点为圆心，确定半径为
R的圆，对圆内的点建立数组，根据取样间隔，求得数组
内每个点与相邻点连线的斜率，如果该斜率明显大于实际
地形的坡度，则对此点进行剔除。
4粗差剔除的实现
在对地面三维激光扫描测量得到的地形点云数据进行
粗差处理时，考虑到实地情况变化较大，可按照如下的步
骤进行。
411点云数据区块的划分
实际地形测量面积一般较大，如果一次性进行处理,
点云数据非常多，经常多达几十万到几百万。考虑计算机
的性能，将数据划分为较小的区块有利于数据的快速处理。
经实际检验，当点云数据不超过300000时，在酷锐双核
118CPU,1G内存的商用电脑上，处理时间不超过2~
3m i n，块段大小较为适宜。
另一方面当实测地形变化比较大时，如坡体和平地同
时存在，如果二者作为一体进行处理所需的判断计算工作
量较大，明显的会减慢运算速度。此时，根据现场少量的
测绘科学第35卷
特征点数据，将点云数据划分为不同的区域，每个区块仅
包含一类地形信息将更有利于计算机的实现。区块划分的
合适与否会明显的影响到点云数据的处理速度。
412计算阀值的确定
在进行粗差剔除时，一般要用到三个阀值：粗差界的
智能防盗窗确定、粗差集的简化和点云剔除范围的确定。在通常的地
形测量中，不考虑特殊情况，仅将地形分为近平地和坡地,
其他类型可分块划分归入这两类中，下面分别对这两类地
形点云数据中粗差阀值的确定方法予以说明。
1)近平地区域
¹粗差界的确定
可根据测量近平地区域内的平均高程和引起粗差的原
因来进行判断。如地形起伏不大，正常地形不高于平均地
形013m，而点云粗差主要由树木存在引起，根据常识，树
木的高度一般均高于015m。此时，即可以平均地形高程加
015m作为初步确定粗差的阀值，高程大于此值的点云归入
粗差数组B中。原始点云数据减去B中数据得到数组C为
待处理数组。当然，对其他障碍物，如灌木、房屋等可以
在根据实地情况划分好的区块内，按照相似的标准确定合
适的阀值进行粗差界的确定，不再一一举例;
º粗差集简化标准的确定
粗差集B中可能含用很多的点云数据，如果将这些数据
全部作为基准来剔除C中的点云数据，工作量会非常大，因
此需要对B进行进一步的简化。在数组B中，还以树木为
例，每棵树木仅需保留树干上的一两个点作为粗差剔除的基
准点，其余的点云数据，如树冠部分则可以删去。在实际应
用中，根据扫描时设置的点云密度和区块内最远点距测站的
距离来确定合适的标准对粗差集进行简化，具体做法为:
假定扫描时设置的点云密度为距测站50m时为30mm/点,
测程为150m，而点云密度和其距测站间距离成正比，则可以
得到所测最远点间间距为90mm。以最不利的情况计算，假定
最远障碍物位于150m处，则在障碍物上取高度差为180mm的
一段，则其上至少会有两个点，考虑一定的安全系数，这段障
碍物长度可以取270mm。当障碍物距测站距离小于150m时,
肯定满足长度为270mm的取样段上点数不少于2个。
同样以树木为例，假定平均高程加015m以上点云数据
全部为树木上点云，归入数组B中。而扫描时设定的点云
密度为距测站50m时为30mm/点，测程为100m，则最远点
间距为60mm。此时，对数组B中的数据可以进行进一步的
删除，即高程值大于地面平均高程加上0159m的点可以全
部删除，得到数组D,D则为最终的粗差集;
»点云剔除范围的确定
在粗差集D确定以后，需要以D中数据为索引，对C中
存在的粗差进行进一步剔除，以得到尽可能反映实际情况的点
云数据。在进行点云处理时，剔除范围可按如下原则进行:
根据区块内障碍物的大小，初步确定粗差在平面上的分
布范围，设其半径为R。以粗差集内的点为圆心,R为半径,
得到圆内点云的集合M。根据设定的取样间隔，计算集合M
内的每个点与设站点的距离，进而确定出该点周围的取样间
隔T。考虑取样误差，计算该点与2T范围内各点的平面距离
L和空间距离L
1
，设近平地划分时设定的最大坡度角为B
对接接头
(在进行人工划分时可以考虑一定的安全系数)，根据粗差剔
除原理，障碍物具有一定的高度，则可以认为当cos B>L L c
,
该点位于障碍物上，需要对其进行剔除。
对一些特征比较明显的点，在不影响数据总体质量的情况下可以采用简化的处理方法，还以树木的剔除为例，假定树木最大直径为5
1
，通过计算点云数据C中的点与粗差集
D中各点的距离，如果小于5
1
则对C中对应点进行剔除。对
C全部运算完成后得到数组E即为粗差剔除完成数组。
2)坡地区域
坡地区域的处理方法与近平地区域相似，不同之处在于坡地本身具有一定的斜率，在进行粗差集的提取时，首先确定坡脚一点坐标(X
,Y
)、坡顶一点坐标(X
1
,Y
1
)、坡向和坡度。点云数据中的点应与同一坡面位置的理论高程进行比较，以确定二者的高程差是由于粗差引起的还是坡度本身引起的，对是粗差引起的点才能归入粗差集C中。其余的处理方法与平地区域完全相同，不再一一缀述。
413粗差剔除的流程
根据粗差提取的原理和确定的判断阀值，即可编程实现点云数据中粗差的剔除，系统流程为:
图2粗差剔除流程图
5粗差剔除实例
用可视化编程语言V i sua l Basic编程实现了上述的粗差剔除功能，并用实例对粗差的剔除效果进行了检验。
采用Tri m ble GX200三维激光扫描系统对某地形进行了扫描，扫描精度为当距离为50m时取样间隔30mm，最远扫描距离为150m。扫描区块内存在一些树木，在进行地形扫描时，树木的一部分被扫描进入点云数据中，如图3和图4。为了消除树木引起的地形误差，用编制的程序对粗差进行了剔除，区
域平均标高2919m，地形为近平地。在剔除时，粗差界定为3011m，通过采样间距和最远扫描距离可以确定高差大于100mm的区段至少存在三个点，因此粗差简化界定为3012m。粗差的坡度角为大于15b。以上述阀值对粗差进行剔除，剔除完成后的点云数据如图5。
图3扫描区域实地照片
从图5中可以明显的看出，进行粗差处理后的点云数据中不存在明显的树木信息，能够较为真实反映出地表的实际情况，粗差剔除的效果良好，处理后的点云数据能够满足建立数字高程模型的需要。
188
第3期 李 亮等 地面三维激光扫描地形测量数据粗差剔除算法及实现
6 结束语
1)提出了地面三维激光扫描地形测量点云粗差剔除的算法，算法简单明了，理论严密，易于编程实现，具有一定的实用价值。
2)给出了粗差提取的几个重要指标，并对其取值原则进行了分析说明。
3)提出了粗差剔除算法的实现方法，并编程实现了粗差剔除。实例证明剔除效果良好。
4)在地形测量中是以Z 坐标作为基准来进行粗差剔除的，但其原理同样适用于其他测量领域，只是判别基准需要稍做改动，以X 、Y 或者以一特定方向的距离差作为基准即可实现对粗差的提取。
5)在编程实现时，可以通过对点云进行人为的区块化，先对区块进行判断，如果区块相关再对区块内的点云进行判断，可以节省大量的计算时间。
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G ross er ror e lim ina ti on of ter r a i n sur vey da ta ob ta i ned by ter r estr i a l 3D la ser scann i ng syste m
Abstr ac t :A s a ne w survey me t hod ,3D laser scann i ng system has been wi de l y used to get spati a l infor m ati on 1The m etho d of deali ng with p l entiful scann i ng poi nts is a key aspect which dete r m ined t he extendi ng of this syste m 1Based o n the cha racte ristics of scanni ng point
s of terra i n survey got by terrestr i a l 3D laser scann i ng syste m,the paper gets a co nc l usio n t hat the gradient of poi nts o n barriers wh ich cause gross error is big ger t han t hat on actua l terra i n 1And an appli ed a l gorith m for gross error e li m i nati on had been put for ward 1The pri nc i p l e ,the process of rea lizatio n and so m e i m portant para m ete rs abo ut the a l gorith m have been ana lyzed 1A t l ast ,the effect of gross error eli m ina ti on has been ver ified by an exa m ple ,which sho wed tha t the a l gor it hm is feasi b l e and dependab l e 1
pfa喷涂K ey word s :3D l ase r scanni ng ;poi nt c l ouds ;gross error eli m i nati on ;terra i n survey
LI Liang ¹º,WUKa n ¹º,LIUHu ¹º,HA O Gang ¹º
(¹School of Environ m ent Sc i ence and Spatial Infor m ati cs ,Chi na Un i versity ofM i n i ng&Technolo gy ,Xuzho u 221008,Ch i na ;ºJiangsu Key Laboratory ofR esources and Envi ron m enta l Infor m a tio n Engineer i ng ,Xuzhou 221008,Chi na)
(上接第186页)线接口，还包括一些阀门和窨井的模型，仿真实验平台为IntelXeo n T M 处理器，主频310G ；显卡为Quadro3400，显存256M 。仿真结果运行在此平台上帧速度达到58fps ，完全满足实时仿真的要求,
表明本文的建模方法有效可行。
图7 某校区管网三维显示部分成果图
管网建模是城市三维管网信息管理系统的重要组成部分，通过上述方法，可以很好的解决大数据量的城市管网三维实时建模问题。仿真实验表明，建模速度比较快，达到了实时建模的要求。本文主要着眼于管网的三维建模与显示，对管网的空间分析、拓扑结构、信息查询等功能都未涉及，但以上这些功能却是一个完善的三维管网信息管理系统所必须的，如何设计和完善数据结构是建立一个完善的三维管网信息管理系统所不能回避的。因此，下步的工作将主要在这一部分展开。
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3D m od eli ng of ur ban p i pe lines ba sed on O penGL
Abstr ac t :P i pe li ne is an i m portant part of urban constructi ons 1In th i s paper ,3D m ode li ng of urban p i pe li nes based on OpenGL is stud ied 1Begi nning w it h t he re l a tionsh i p be t w een t he world coordi nate syste m and the loca l coordi nate system,t he m ode li ng of bee line and crack parts are e m phati ca lly descri bed 1A nove l a lg orith m for modeli ng of pipe line cracks based on vertex b l end i ng technolog y has been proposed 1Expe ri m en tal res u lts have sho wn the e ffectiveness of t he proposa l sche m e 1P i pe li ne ism ode led li vi ngl y ,wh ich can speed up the 3D d isplay at t he sam e ti m e ,t hen large 2sca l e of urban pipe lines can be m ode led i n real 2ti m e 1
K ey word s :p i peli ne ;coord i nate transfor m ati on ;GPU ;ve rtex b l end i ng ;OpenGL
LIU Wei 2m in ¹º,Y A O Zhi 2qiang ¹,W A NG F eng ¹»,L U Zha n 2wei ¹
(¹Instit ute of Surveyi ng and M appi ng ,In f or m ati on Engi 2neering University ,Zhengzhou 450052,Chi na ;º62217T roops ,Geer m u 816000,Chi na ;»72946T roops ,Zi bo 255000,Ch i na )
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