淺析三維掃描儀的點云數(shù)據(jù)處理

■牛建國

（河北省第二測繪院河北石家莊050031）

淺析三維掃描儀的點云數(shù)據(jù)處理

■牛建國

（河北省第二測繪院河北石家莊050031）

在測繪領(lǐng)域中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)成為測繪領(lǐng)域的一項重要的技術(shù)革新，三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復制技術(shù)，能夠提供物體表面的三維點云數(shù)據(jù),突破了傳統(tǒng)意義上的單點測量的方法。本文主要介紹了三維激光掃描技術(shù)以及其在數(shù)據(jù)處理和誤差精度控制上的表現(xiàn)，分析其原因。

三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)處理精度控制

三維激光掃描技術(shù)是一門新型高效的測量技術(shù)，它是繼GPS技術(shù)后又一項測繪技術(shù)的誕生。其在數(shù)據(jù)處理方法和獲取方法以及服務(wù)能力水平上都進入了新的發(fā)展階段。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的分類

我國目前把三維激光掃描技術(shù)分為兩類：機載型、地面型。在測量方式上還細化成移動式激光掃描系統(tǒng)、手持式激光掃描系統(tǒng)。在當前，地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng)是目前最重要的掃描裝置。其一般由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、軟件控制平臺、電源以及其它的相關(guān)的附件組成。

2 地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

三維激光掃描儀的發(fā)射器在進行工作時會向目標發(fā)射一個激光脈沖信號，這個信號在接觸到物體表面是被反射回來，順著相同的路線反向傳回到接收器中，從而獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)。當脈沖在到達目標點時精密的時鐘控制編碼器同步測量每個脈沖橫向掃描的觀測值和縱向掃描的觀測值。

3 三維掃描儀的點云數(shù)據(jù)處理

三維激光采集數(shù)據(jù)時采集的是點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)的處理一般包括有下列各個步驟：

（1）噪聲去除。噪聲去除就是指將點云數(shù)據(jù)中的錯誤數(shù)據(jù)去除掉。由于某些原因的影響，會導致點云噪聲這一現(xiàn)象的發(fā)生。比如說移動的車輛和行人還有樹木，也同樣會被掃描儀采集到，這些都是要在后續(xù)的工作中刪除掉的。

（2）多視對齊。多視對齊是說被測量的物體的體型大或者外表比較復雜，那么在掃描時就不能一次性測出物體表面的所有數(shù)據(jù)，這樣的情況需要我們從不同的位置，去進行多視角的多次掃描，多視對齊的實質(zhì)就在于此。

（3）數(shù)據(jù)精簡。點云數(shù)據(jù)的精簡是指在海量的點云數(shù)據(jù)中，在不影響曲面重構(gòu)和保持著一定精度的情況下需要對數(shù)據(jù)進行精簡，而我們比較常用的精簡模式有平均精簡，按距離精簡兩種。如若想真實的反映掃描目標，那就需要準確的將需要掃描的數(shù)據(jù)用曲面表示出來，這項過程就是曲面重構(gòu)。

（4）曲面重構(gòu)。我們比較常見的曲面的表示種類有：細分曲面、暗含的函數(shù)表示、明確的函數(shù)表示、三角形網(wǎng)絡(luò)、參數(shù)曲面、曲化的面片等。這里主要說說參數(shù)曲面重構(gòu)和細分曲面重構(gòu)。

參數(shù)曲面重構(gòu)是對幾何形狀進行的描述，這項理論起源于上世紀60年代，它的主要思想是用一組基函數(shù)做為分權(quán)因子，在通過一組初始控制向量的線性組合獲得形體的連續(xù)表示，我們一般采用的參數(shù)曲面有Bezier曲面，B樣條曲面和NURBS曲面等。

細分曲面重構(gòu)主要針對復雜的物體表面模型重建和曲面拼合問題，從初始的多面體控制網(wǎng)絡(luò)開始，應(yīng)用某種細分規(guī)則，對新生成的每個網(wǎng)格的頂點進行相繼歸集的計算，原始網(wǎng)格的幾個相鄰頂點的加權(quán)平均，通過不斷的細分，逐漸將控制網(wǎng)格磨光。在無窮多次細分后，最終將控制網(wǎng)格將收斂于一張光滑曲面，這就是重建曲面。

4 三維激光掃描儀的精度分析

（1）三維激光掃描儀的測量誤差分析。三維激光掃描系統(tǒng)的測量誤差可分為兩種；系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差可能會引起掃描點的坐標錯誤，可以通過公式的改正后修正系統(tǒng)來解決。測量系統(tǒng)的偶然誤差是一些隨機性的錯誤的集中體現(xiàn)。在測量誤差上的影響因素較多，主要可以分為三類：儀器誤差、與目標物體反射有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件。儀器誤差又包括激光測距誤差，掃描角度測量誤差。與目標物體反射面有關(guān)的誤差主要是目標物體表面粗糙的原因。外界環(huán)境因素主要包括溫度和氣壓等因素。

（2）三維激光掃描儀精度控制。在了解到相關(guān)的可能出現(xiàn)差錯的原因后我們需要找到解決的對策來加以控制。在系統(tǒng)的測量誤差上激光測距的影響相對比較重要，我們要防止在掃描儀脈沖計時的系統(tǒng)誤差和測距技術(shù)中的不確定間隔的缺陷所引起的誤差，需要運用一些好的技術(shù)處理發(fā)生的各種突變的誤差。激光測距誤差綜合體現(xiàn)為測距中的固定誤差和比例誤差，我們可以用儀器檢定確定測距誤差的大小。在掃描角上引起的誤差可以通過保證其水平和豎直的掃描角度，在轉(zhuǎn)動中減少其振動，始終保持精確的角度。

（3）提高測量精度的方法。通過調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的坐標設(shè)定，減少坐標系堆疊的步數(shù)，可以減少單個曲面片坐標系的堆疊的偏差，將激光掃描儀距離掃描物體的最大距離控制在標稱距離的一半以內(nèi)，也可以有效提高三維激光掃描技術(shù)在測量上的精確度，使三維激光掃描儀的工作能夠更加有效的開展。

5 三維激光掃描儀技術(shù)在將來的發(fā)展

比較現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們知道在未來，這項技術(shù)會有更加廣泛地發(fā)展空間和明確的發(fā)展方向。通過自身的技術(shù)發(fā)展降低國內(nèi)三維激光掃描儀的價格，拓寬國內(nèi)的市場，規(guī)范三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)格式，制定相關(guān)的數(shù)據(jù)標準。通過與傳統(tǒng)的手段相結(jié)合，來克服精度和測距上的矛盾，實現(xiàn)長距離高精度的測量標準。在不斷提高技術(shù)的基礎(chǔ)上，側(cè)重于研究技術(shù)核心下的新的測量數(shù)據(jù)方式，以及測量操作方式，從而提高測量的初始精度，采取改善數(shù)據(jù)算法的方式來不斷降低數(shù)據(jù)在計算上的誤差。

6 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是時代進步的體現(xiàn)，推動了我們身邊許多的行業(yè)發(fā)展和進步。同時這項技術(shù)使測量技術(shù)領(lǐng)域在數(shù)據(jù)的提供上，有了更高的精準度。盡管現(xiàn)在的三維激光掃描儀的價格過高，在有些的數(shù)據(jù)處理和精度測量上還存在著缺陷，但我相信隨著這項技術(shù)的不斷研究發(fā)展和合理化與規(guī)范化，在不久的將來這項技術(shù)一定會在數(shù)據(jù)處理和精確度上有一個質(zhì)的飛躍。

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1000-405X（2016）-6-203-1