基于三維激光掃描儀的點(diǎn)云采集及處理研究

郭柏希

摘要：伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，本文以吉林省長(zhǎng)春市某小區(qū)為例，闡明了采用三維激光掃描技術(shù)從項(xiàng)目起始的數(shù)據(jù)采集到最終的3D模型建成的全過(guò)程，并分析了與傳統(tǒng)測(cè)量模式相比，三維激光掃描技術(shù)各方面的優(yōu)勢(shì)，為日后三維激光掃描技術(shù)在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)得以使用提供了參考。

關(guān)鍵詞三維激光；點(diǎn)云；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)又被稱(chēng)為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是近些年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)，也是在測(cè)繪領(lǐng)域內(nèi)繼GPS技術(shù)之后的一又次技術(shù)革命，與以往傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量不同，三維激光掃描儀可以提供被掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有高精度、高效率的特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用三維激光掃描儀激光測(cè)距的原理，儀器可以快速?gòu)?fù)制出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的被掃描物體的點(diǎn)位信息及紋理信息，因此，與傳統(tǒng)測(cè)量的單點(diǎn)測(cè)量模式相比，三維激光掃描技術(shù)有著實(shí)質(zhì)性的突破。目前，三維激光掃描技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)外業(yè)采集

1.1點(diǎn)云采集常用方法

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的方法多種多樣，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及提升，目前比較常用的點(diǎn)云采集方法有：配合GPS、全站儀采集法、直接設(shè)站法。第一種方法由于可以套人全站儀、GPS的點(diǎn)位三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而把點(diǎn)云數(shù)據(jù)引入全局坐標(biāo)系，故其點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是可以直接使用的真三維坐標(biāo)，因此該方法與直接設(shè)站法相比在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用。

1.2設(shè)站注意事項(xiàng)

以吉林省長(zhǎng)春市凈月區(qū)某高檔別墅區(qū)三維激光掃描工作為例，使用Z+FIMAGERS010C三維激光掃描儀，在設(shè)站進(jìn)行三維激光掃描工作時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：

（1）設(shè)站之前應(yīng)先規(guī)劃出路線草圖并實(shí)地勘察，確保測(cè)站間相互通視并且遮擋物較少，制定恰當(dāng)?shù)膾呙杪肪€，避免架設(shè)多余測(cè)站，或?qū)ν晃矬w重復(fù)掃描。

（2）儀器應(yīng)架設(shè)在穩(wěn)定且沒(méi)有震動(dòng)的地方，以免儀器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作過(guò)程中出現(xiàn)因儀器架設(shè)不穩(wěn)而引起的點(diǎn)云數(shù)據(jù)失真，三維激光掃描儀每秒掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)萬(wàn)余個(gè)，如果工作過(guò)程中出現(xiàn)移動(dòng)或震動(dòng)，勢(shì)必對(duì)后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接產(chǎn)生影響從而增加工作量。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)拼接要求，測(cè)站間至少要有3個(gè)共同的標(biāo)靶點(diǎn)才能完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接并確定點(diǎn)云空間位置，所以在標(biāo)靶設(shè)置時(shí)，應(yīng)確保滿足任意兩相鄰測(cè)站之間有3個(gè)或以上共同標(biāo)靶，以便于測(cè)站間數(shù)據(jù)拼接。

（4）在每一測(cè)站掃描完成后，應(yīng)檢查掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性及標(biāo)靶球完整性，如有遺漏或缺失區(qū)域，應(yīng)對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，從而確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。

（5）繪制設(shè)站草圖，標(biāo)明標(biāo)靶位置，有利于后續(xù)的拼接操作。在進(jìn)行拼接操作的時(shí)候，如果有草圖，可以更直接地找到拼接對(duì)象的位置，在拼接出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候也可以更直觀地找到問(wèn)題所在。

1 3標(biāo)靶球擺放注意事項(xiàng)

標(biāo)靶的擺放位置應(yīng)適中，一般相鄰兩個(gè)測(cè)站之間的距離在80m-100m，所以標(biāo)靶應(yīng)置于距離測(cè)站40m～50m處；標(biāo)靶球的擺放應(yīng)避免形成一條直線，以便后續(xù)測(cè)站問(wèn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接；標(biāo)靶應(yīng)盡量避免置于被測(cè)物體表面，尤其是對(duì)小件重要物體的掃描，對(duì)后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理影響較大；標(biāo)靶應(yīng)避免置于反射能力較強(qiáng)物體周?chē)?，以免?duì)標(biāo)靶的掃描受到影響。

1.4圖像采集注意事項(xiàng)

圖像采集工作對(duì)于只需要提供點(diǎn)云數(shù)據(jù)的工作無(wú)影響，但是對(duì)于后期需要建模或者提供帶RGB信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有較大影響。一般采用Photoshop軟件對(duì)采集的圖片進(jìn)行處理，利用z+FIMAGER5010C自帶的z+FLaserControl、3ds Max AutoCAD等建模工具進(jìn)行建模。采集照片時(shí)，人工采集圖片應(yīng)做到在被拍物體正面取像，避免遮擋，近景和遠(yuǎn)景組合拍照，這樣才能將所拍攝的圖片更好的應(yīng)用到模型上，如果儀器自帶圖像采集功能，注意不要遮擋鏡頭，以免給后續(xù)圖像處理工作帶來(lái)額外工作量。

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的步驟一般分為去噪、精簡(jiǎn)、分割、配準(zhǔn)、建立模型和貼紋理等。

（1）點(diǎn)云去噪。由于三維激光掃描儀在工作過(guò)程中360。無(wú)死角全方位掃描，因此以測(cè)站為中心所有的地物數(shù)據(jù)都會(huì)被記錄下來(lái)，如需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接等后續(xù)處理，為加快拼接及數(shù)據(jù)處理速度，需將與目標(biāo)建筑物不相關(guān)的點(diǎn)云刪除，只留下相關(guān)的點(diǎn)云信息，在測(cè)站A掃描到的數(shù)據(jù)如圖1所示。為便于配準(zhǔn)及后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，在圖1的基礎(chǔ)上還需進(jìn)行細(xì)化去噪處理，去噪后如圖2所示。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。常見(jiàn)的點(diǎn)云拼接方法有標(biāo)靶拼接、坐標(biāo)拼接兩種方式。以Z+FIMAGER5010C為例，理想狀態(tài)下的拼接精度可達(dá)到0.1mm，坐標(biāo)拼接由于要手動(dòng)選取特征點(diǎn)，因此人為因素會(huì)間接造成誤差加大，從而引發(fā)數(shù)據(jù)超限，本次實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)靶拼接的方式，如圖3所示，z+FLaser-Control可實(shí)現(xiàn)標(biāo)靶球自動(dòng)配準(zhǔn)中心，從而降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接誤差，提高拼接精度。

（3）點(diǎn)云建模。常見(jiàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模方法有兩種，一種是利用三維激光掃描儀自帶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行建模，以Z+F Laser Control為例，模型精度極高，但是，缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯，相對(duì)于專(zhuān)業(yè)建模軟件，自帶點(diǎn)云處理軟件建模效率較低，無(wú)法貼人紋理圖片，導(dǎo)致最終建成的模型缺乏真實(shí)感和生動(dòng)性。此次采用第三方軟件3dsMax進(jìn)行建模，紋理貼圖后建模成果如圖4所示。

在使用3dsMax建模時(shí)應(yīng)注意要注意點(diǎn)云的選取，對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)物建立精模，次要部分做簡(jiǎn)模。在材質(zhì)制作過(guò)程中，要注意對(duì)前期照片的加工和處理，避免由于光照、色差、對(duì)比度等因素的影響而造成的同一物體顏色不同或明暗程度不同等問(wèn)題。從而確保模型在視覺(jué)上立體、直觀、真實(shí)。另一種建模手段是利用Geomagic建模，該軟件直接使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)同樣具備較高的建模效率，并且可以確保模型精度，但有其局限性。如果目標(biāo)物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于軟件擬合后的面數(shù)較多，最終會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)人或?qū)С鰰r(shí)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間卡頓影響工作效率，因此還需根據(jù)實(shí)際工作需要來(lái)選擇建模方式。以外，以上3種建模方式可以相互結(jié)合使用，并不產(chǎn)生沖突。

3.與傳統(tǒng)測(cè)量方式對(duì)比

與傳統(tǒng)測(cè)量方式對(duì)比，三維激光掃描儀優(yōu)勢(shì)明顯，不論是在普通地形地貌地區(qū)還是在較復(fù)雜的地表信息上測(cè)量，三維激光掃描儀都可以一次性快速的完成掃描，并且能夠保證精度。三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測(cè)量方式性能對(duì)比情況如表1。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文以吉林省長(zhǎng)春市某高檔別墅區(qū)為例，對(duì)三維激光掃描工作的內(nèi)外業(yè)各項(xiàng)操作過(guò)程進(jìn)行了探討，并給出具體設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)闡述了三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)獲取、處理、建模過(guò)程，提出了多種建模手段相結(jié)合使用的新方法，旨在為三維激光掃描技術(shù)提供基本的技術(shù)支持，為三維激光掃描行業(yè)將來(lái)的發(fā)展提供思路，從而促進(jìn)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。