基于激光點云數(shù)據(jù)的沙堆體積測量方法研究

姜永男+李樹坤

【摘 要】介紹利用三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)方法，闡述了Surfer、Geomagic和Cyclone軟件求算沙堆體積的技術(shù)方法，并對精度對比分析，利用激光點云數(shù)據(jù)測量沙堆體積技術(shù)方法是可行的。

【Abstract】This paper introduces the method of acquiring point cloud data by using 3D laser scanner. It expounds the technical method of calculating sand volume by Surfer， Geomagic and Cyclone software， and makes a comparative analysis of accuracy. It is feasible to use the laser point cloud data to measure the volume of the sand pile.

【關(guān)鍵詞】激光點云數(shù)據(jù)；三維激光掃描儀；沙堆體積；精度

【Keywords】 laser point cloud data； 3D laser scanner； sand pile volume； precision

【中圖分類號】P21 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）02-0161-02

1 引言

三維激光掃描技術(shù)在國際上已經(jīng)得到了長足發(fā)展，隨著工程測量土方量計算、變形監(jiān)測等領(lǐng)域的需求越來越大，越來越多的人也開始研究其在體積求算等方面的應(yīng)用。在國內(nèi)主要有：蘇春艷等[1]利用三維激光掃描儀對大面積的堆積體，精確計算出體積。利用三維激光掃描技術(shù)獲取的土方量精度高且效率快。李濱等得出將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在工程測量的土方計算中的方案是完全可行的。熊妮娜等以松油為例進行了基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的可行性研究。目前，國內(nèi)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用還不是很普及，三維激光掃描是獲取物體三維數(shù)據(jù)的一項重要技術(shù)，有著很廣泛的發(fā)展前景。

2 激光點云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

選擇某建筑工地的施工場所旁的沙堆，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，依據(jù)沙堆的形狀確定測站的位置，儀器至沙堆表面的距離大概10m左右，掃描分辨率設(shè)置為1cm，本次掃描決定共設(shè)立4站，由于各站掃描數(shù)據(jù)是相互獨立的，為滿足后續(xù)的點云拼接，本次掃描共設(shè)立4個標(biāo)靶。標(biāo)靶的放置在一個穩(wěn)定的位置，以防止標(biāo)靶晃動，同時確保這4個標(biāo)靶每站可視。

2.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用徠卡C10配套的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件完成拼接得到完整的沙堆點云。使用基于標(biāo)靶的拼接模式，經(jīng)去噪和點云均一化處理后的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

3 沙堆體積求算

3.1 用Geomagic軟件進行求算

把Cyclone軟件處理后的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Geomagic軟件中，由于導(dǎo)入的數(shù)據(jù)呈黑色，無法辨別邊界，對點云數(shù)據(jù)的處理存在難度，需先給點云數(shù)據(jù)著色。此外，點云數(shù)據(jù)中存在一些明顯偏離的噪音點 ，需去除體外孤點及非連接項，當(dāng)然也可以根據(jù)快捷鍵進行手動去除。

為了得到更加光滑的曲面，在Geomagic軟件中進行去噪處理，參數(shù)選擇“自由曲面形狀”，偏差限制為0.005m，迭代為1。進行數(shù)據(jù)采樣及數(shù)據(jù)封裝，將點云數(shù)據(jù)封裝成三角形網(wǎng)格，創(chuàng)建流型刪除模型中的非流型三角形。

體積求算有兩種方法，第一：單擊“分析”→“計算” →“計算體積”項直接求取體積；第二：單擊“分析”→“計算” →“計算體積到平面”項并進行相應(yīng)的設(shè)置。這里選擇系統(tǒng)平面，位置度可以根據(jù)需要進行調(diào)整，然后單擊“確定”鍵，得到模型體積（圖2），本實驗設(shè)置4個不同的Z值獲得4個不同的體積。

3.2 Surfer軟件求算體積

首先進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，由于Surfer8.0軟件處理的是grd類型的數(shù)據(jù)文件，所以需要先把Cyclone軟件輸出的xyz類型的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成grd類型的數(shù)據(jù)文件。打開Surfer8.0軟件，選擇從Cyclone軟件中處理后的數(shù)據(jù)文件，文件類型選擇“所有文件”。之后在彈出的對話框中根據(jù)需要進行設(shè)置并查看數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)沒問題，則完成數(shù)據(jù)文件的類型轉(zhuǎn)換。

進行體積求算單擊菜單欄中的“網(wǎng)格”→“體積”項，在彈出的對話框中選擇新生成的grd類型的數(shù)據(jù)文件，然后在彈出的“網(wǎng)格體積”對話框中設(shè)置上下表面的參數(shù)。這里的上表面選網(wǎng)格文件，下表面Z值根據(jù)采集數(shù)據(jù)Z值進行調(diào)整，確認(rèn)后，生成模型的體積報告（圖3）。

3.3 Cyclone軟件求算體積

首先選擇點云建立TIN，TIN是指不規(guī)則的三角形三角化網(wǎng)絡(luò)。它是用一系列互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來表示地形表面，即可以對已采集的規(guī)則的或不規(guī)則分布的地理數(shù)據(jù)進行三角建網(wǎng)，當(dāng)整個區(qū)域TIN網(wǎng)絡(luò)建立之后，就可以進行進一步的TIN？數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等。接著定義參考面，定義參考面是指根據(jù)具體需要設(shè)置一個基準(zhǔn)面，然后求算點云數(shù)據(jù)到該參考面的體積、表面積等。

Cyclone軟件提供設(shè)置任意參考面的功能，這里設(shè)置XY面為一個參考平面，然后通過設(shè)置Z值來改變參考面的位置，進而求取點云到該平面的體積。最后體積求算，求取點云到參考面的體積。先選擇點云，然后單擊“Tools”→“Measure” →“TIN Volume”項，求算出體積（圖4）。

4 數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 點云數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

根據(jù)三種軟件的性能，設(shè)置不同的平面來計算點云數(shù)據(jù)到該平面的體積。平面的設(shè)置可以通過XYZ中的任兩個確定一個平面，然后通過改變另一個的值來實現(xiàn)該平面的調(diào)動。這里設(shè)定XY面為一個平面，然后通過設(shè)定Z值來實現(xiàn)XY面的升降，從而實現(xiàn)點云到不同的XY面的體積求算工作。

通過改變Z值求取點云數(shù)據(jù)到四個不同的XY面的體積。為了去除地面起伏對結(jié)果的影響，設(shè)置的Z值要比地面上點云最大的Z值大一點，使堆體的底面呈一個平行于XY面的平面，這里再取三個Z值-1.600m、-1.550m和-1.500m以便對比分析，去除特例情況。三種軟件在不同Z值時求算的體積及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理見表1。

4.2 比較與分析

為滿足實際應(yīng)用的需要，從求算體積的可行性、操作的難易程度和體積求算的精度等幾個方面進行分析。三種軟件在求算相同大小獨立體體積時的性能見表2。應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇不同的軟件進行沙堆的體積求算，進而提高效率及效益。

5 結(jié)語

本論文是關(guān)于利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取不規(guī)則堆體的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)Cyclone軟件先期處理，然后運用Surfer8.0、Geomagic和Cyclone三種軟件分別求取的沙堆體積。經(jīng)過分析研究，基于徠卡C10的沙堆體積快速測量的方案是完全可行的，其可以應(yīng)用于工程領(lǐng)域的土方量和體積等方面，不僅可以保證精度，而且可以提高效率，解放勞動力。

【參考文獻】

【1】蘇春艷，隋立春.基于三維激光掃描技術(shù)的土方量快速測量[J].測繪技術(shù)裝備，2014，16（2）：49-52.endprint