地面激光掃描和數(shù)碼相機(jī)在化石重建中的應(yīng)用

于明旭，紀(jì)志浩，黃國斌，林樂勝

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州22116；2.中國煤炭地質(zhì)總局普查隊(duì)，江蘇 徐州22116）

三維激光掃描測量技術(shù)是繼GPS全球定位系統(tǒng)后的一項(xiàng)測繪領(lǐng)域全新技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)為數(shù)據(jù)量大，掃描精度高，數(shù)據(jù)采集速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，主動(dòng)性強(qiáng)。在不接觸物體的情況下，可直接獲得高密度掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可快速對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行虛擬重現(xiàn)和三維重建。近幾年，隨著三維激光掃描技術(shù)迅速發(fā)展，地面三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其在三維模型重建、地形可視化等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1 地面三維激光掃描儀的工作原理與分類

1.1 工作原理

激光掃描儀通過其內(nèi)部的激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，再由接收器接收目標(biāo)物體反射回的激光脈沖，通過測量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間或相位差，即可自動(dòng)計(jì)算出測距觀測值S和反射強(qiáng)度I，由精密時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖縱向天頂角度值θ和水平方向角度值α。地面三維激光掃描測量系統(tǒng)一般使用掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)原點(diǎn)是儀器的中心，X 軸在橫向掃描面內(nèi)，Y 軸在橫向掃描面內(nèi)與X 軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直（見圖1）。由幾何關(guān)系可得到三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式

x＝Scosθcosα，y＝Scosθcosα，z＝Ssinθ.

掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度值I用于給反射點(diǎn)云匹配顏色。通過上述方法即可獲得被測對象的離散采樣點(diǎn)集合，即激光點(diǎn)云。

圖1 坐標(biāo)系

1.2 分類

按掃描成像方式分為全景式掃描儀，攝影式掃描儀和混合型掃描式。按激光光速發(fā)射方式可劃分為三角法掃描儀，燈泡式掃描儀以及扇形掃描儀和外置相機(jī)掃描儀。按與數(shù)碼相機(jī)結(jié)合應(yīng)用方式分為內(nèi)置相機(jī)型掃描儀。內(nèi)置相機(jī)型掃描儀優(yōu)點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)前，無需安裝相機(jī)，無需做激光掃描儀與相機(jī)標(biāo)定和校對工作，節(jié)約時(shí)間。缺點(diǎn)是不能升級和更換，鏡頭不能隨距離遠(yuǎn)近而調(diào)整，顯示紋理效果較差。外置相機(jī)型掃描儀優(yōu)點(diǎn)是數(shù)碼相機(jī)容易升級和更換，根據(jù)掃描物體的距離遠(yuǎn)近，可選擇使用不同焦距的鏡頭。優(yōu)點(diǎn)是像素高，分辨率高，鏡頭失真小，具有定量測量精度效果；缺點(diǎn)是使用前相機(jī)與激光掃描儀做聯(lián)機(jī)標(biāo)定和校對，才能確保點(diǎn)云涂色與紋理映射的精度。本實(shí)驗(yàn)使用外置相機(jī)。

2 三維激光掃描儀系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取

以中國地質(zhì)大學(xué)化石林中的化石為重建對象，利用Riegl VZ－400激光掃描儀，通過使用RiSCAN PRO 和Geomagic Studio軟件建立部分化石3D 模型，工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

1）實(shí)地勘察與測站設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)備工作。分析現(xiàn)場地形、地物分布特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)掃描站，為獲得全方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須在不同方向、不同角度進(jìn)行場景掃描。

2）相鄰掃描站拼接：由于從不同掃描站獲得的點(diǎn)云是各自獨(dú)立的局部坐標(biāo)系即掃描儀坐標(biāo)系，要建立一個(gè)完整的三維模型，將所有掃描站配準(zhǔn)到一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)系下。由于化石林實(shí)際場景復(fù)雜，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，沒有粘貼標(biāo)靶點(diǎn)，所以配準(zhǔn)時(shí)，在相鄰兩站手動(dòng)添加標(biāo)靶點(diǎn)。手動(dòng)添加標(biāo)靶點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：①所選同名點(diǎn)對個(gè)數(shù)N≥4，保證有多余觀測點(diǎn)對，提高配準(zhǔn)精度；②在同一站中所選標(biāo)靶點(diǎn)距離要遠(yuǎn)些；③在同一站中添加標(biāo)靶點(diǎn)應(yīng)不在同一平面內(nèi)，也不要在同一個(gè)高度上，此時(shí)標(biāo)靶點(diǎn)能夠更好起到控制點(diǎn)的作用；④手動(dòng)添加的標(biāo)靶點(diǎn)盡量在特征明顯的物體上，減小同名點(diǎn)位置上的偏差。兩站點(diǎn)云配準(zhǔn)前后分別如圖3（a）、（b）所示。

圖3 配準(zhǔn)前后示意圖

所有站配準(zhǔn)在一起的點(diǎn)云如圖4所示。

圖4 所有站配準(zhǔn)后點(diǎn)云

3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：在RiSCAN Pro軟件中對離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、濾波、平滑、勻化、刪除冗余數(shù)據(jù)等處理，最終提取的目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。要根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用決定數(shù)據(jù)的濾波平滑程度，本實(shí)驗(yàn)中對化石的細(xì)部特征要求較高，所以處理時(shí)，盡量保存原始數(shù)據(jù)，保留化石的細(xì)節(jié)特征。

圖5 處理后部分化石點(diǎn)云

3 由點(diǎn)云生成化石幾何建模

將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio中進(jìn)行三維建模，點(diǎn)云階段處理后如圖6所示。從圖6可以看出，對點(diǎn)云進(jìn)行三角化后，有濫面，所以，對封裝后的多邊形進(jìn)行處理，多邊形處理過程包括：修補(bǔ)多邊形，去除重疊的多邊形，調(diào)整多邊形數(shù)量，光滑多邊形，監(jiān)測與校正多邊形，處理后的多邊形如圖7所示。曲面階段處理過程包括：構(gòu)建輪廓，監(jiān)測輪廓、監(jiān)測曲率，構(gòu)建曲面，構(gòu)建格網(wǎng)，擬合曲面。最終擬合的化石曲面如圖8所示。

4 紋理映射

擬合后曲面模型（見圖8）以.ply格式導(dǎo)入到RiSCAN PRO 軟件中，進(jìn)行紋理粘貼。紋理映射使用的照片有兩類：一類是通過固定在掃描儀的數(shù)碼相機(jī)所采集的高分辨率相片獲取紋理信息，另一類是自由照片。本實(shí)驗(yàn)使用自由照片進(jìn)行紋理映射。先對自由照片進(jìn)行定位，對定位后照片做無畸變處理，選擇相應(yīng)場景照片進(jìn)行紋理映射，結(jié)果如圖9所示。

5 結(jié)束語

使用地面三維激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合方式對化石重建，尤其在紋理映射時(shí)嘗試自由照片，使映射紋理后的模型更逼真且可以快速完成紋理貼圖。試驗(yàn)表明這種方法有效可行。

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