三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)淺析

鄧建波，胡國紅

（江西有色地質(zhì)測(cè)繪院，江西 新余 338000）

建筑測(cè)量，是測(cè)量工程中非常重要的項(xiàng)目。由于建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建筑圖紙資料缺乏，并且空間狹小，因此對(duì)測(cè)量工作帶來較大的不便。而對(duì)于三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)來說，涉及色彩灰度與目標(biāo)處理強(qiáng)度要素，同時(shí)還包括目標(biāo)空間信息要素等，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，通過分析、測(cè)量、模擬、檢測(cè)，能夠獲取高精度測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果，且與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式比較優(yōu)勢(shì)突出[1]。由此可見，從提升建筑測(cè)量作業(yè)的精準(zhǔn)度角度考慮，本文圍繞“三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)”進(jìn)行分析研究價(jià)值意義顯著。

1 三維激光掃描點(diǎn)云處理技術(shù)概述

在三維信息采集裝置的應(yīng)用下，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。對(duì)于當(dāng)中的信息收集設(shè)備來說，通常為三維激光掃描儀。此設(shè)備的構(gòu)成成分包括：其一，控制系統(tǒng)；其二，供電系統(tǒng)；其三，支架系統(tǒng)；其四，掃描系統(tǒng)、其五，掃描角度等；三維激光掃描儀主要對(duì)角度、距離進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行校正及攝影作業(yè)[2]。利用測(cè)距技術(shù)，能夠?qū)⒂^測(cè)值S得出來，并包括被測(cè)物體的垂直角度、水平角度；如下圖1所示，為激光三維掃描儀原理圖，通過測(cè)量最終能夠獲取物體表面至坐標(biāo)原點(diǎn)的距離、垂直角度、水平角度，進(jìn)一步獲取物體表面K（X、Y、Z）點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)。

圖1 激光三維掃描儀原理圖

值得注意的是，因點(diǎn)云屬性涉及一些關(guān)鍵信息，比如：法向量、位置、顏色等，與傳統(tǒng)的三角非均勻網(wǎng)絡(luò)比較，點(diǎn)云模式能夠得到合理科學(xué)的信息，通過簡單的操作，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)科學(xué)地呈現(xiàn)出來[3]。目前，三維點(diǎn)云技術(shù)在注冊(cè)、數(shù)據(jù)采集、特征信息獲取、表面建設(shè)等工作領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，能夠使處理技術(shù)與相應(yīng)點(diǎn)繪制形式的統(tǒng)一性得到有效實(shí)現(xiàn)。

2 三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)分析

如前所述，對(duì)三維激光掃描點(diǎn)云處理技術(shù)的概念及基本應(yīng)用有了一定程度的了解。而從建筑測(cè)量成果的提高角度考慮，有必要掌握三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法及該項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用要點(diǎn)?？偨Y(jié)起來，數(shù)據(jù)處理、技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)如下：

2.1 單體建筑與大規(guī)模建筑掃描建模技術(shù)方法

在三維激光掃描過程中，建筑類型不同，其掃描建模的方法不同，具體如下：

（1）針對(duì)單體建筑，需使用3DMax三維建模軟件進(jìn)行掃描處理，主要優(yōu)勢(shì)為不需要使用到建筑圖紙，便能夠快速得到建筑的具體尺寸，進(jìn)一步將建筑群布局及真實(shí)模型制作出來，并且收集的數(shù)據(jù)精度非常高。然而，采取此模式對(duì)建模對(duì)象進(jìn)行掃描，在構(gòu)建表明規(guī)整的建筑模型效果方面不夠理想，主要是由于采取激光基于平臺(tái)采集的點(diǎn)密度偏大[3]。因此，可采取I-SiTE Studio，針對(duì)掃描的點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)施重新建模措施，經(jīng)人機(jī)交互模式聯(lián)合點(diǎn)云形狀，對(duì)點(diǎn)、線、面的幾何元素進(jìn)行構(gòu)建。所以，對(duì)于規(guī)則單體建筑，其建模難度比較低，可通過三維建模軟件，得到建筑的具體三維尺寸，進(jìn)一步促進(jìn)模型建設(shè)精度的提升。

（2）一方面，針對(duì)大規(guī)模建筑，在掃描建模過程中，針對(duì)正射投影，由于三維掃描儀對(duì)失修古跡的掃描優(yōu)勢(shì)突出，這主要是古代建筑群具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小以及建筑圖紙缺乏等特征。所以，基于修繕及維護(hù)工作過程中，需對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真分析，針對(duì)具有特色的建筑，需進(jìn)行具體紋理模型的構(gòu)建。比如，基于某建筑群數(shù)據(jù)采集過程中，掃描位置有效數(shù)量為123個(gè)，涉及：彩色點(diǎn)云、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)的收集，能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的獲取提供便利，進(jìn)一步便相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖的繪制，對(duì)后續(xù)維護(hù)工作提供有效保障依據(jù)。所以，可利用三維掃描技術(shù)，對(duì)掃描數(shù)據(jù)獲取出來，然后在結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使投影圖生成，采取Riscan Pro，使正射投影圖的相關(guān)插件有效行程，然后進(jìn)行正射投影圖的繪制。當(dāng)然，可利用投影平面及剪裁點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方式，得到相對(duì)應(yīng)的剖面圖，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的充分了解。另一方面，針對(duì)規(guī)模比較大的建筑物，有必要對(duì)每一個(gè)位置之間的連接部位進(jìn)行掃描，如果室內(nèi)結(jié)構(gòu)與走廊比較復(fù)雜，可在明確掃描位置的條件下，將公共反射體合理放置好。比如，需確保兩個(gè)掃描位置之間具備公共反射體4個(gè)，進(jìn)一步使后期模型拼接作業(yè)有效完成。與此同時(shí)，由于一些建筑的高度偏高，內(nèi)部掃描空間不足，在對(duì)屋頂數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描過程中，需選取距離樓頂200m的位置掃描。在三維掃描儀正常作業(yè)狀態(tài)下，反射體需放置于距離掃描儀200米的位置，除此之外，倘若掃描期間有拼接誤差問題出現(xiàn)，在獲取近似公共點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可以利用網(wǎng)絡(luò)模型，或者點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取該數(shù)值。如果該掃描期間，反射點(diǎn)采樣點(diǎn)比較少，那么難以獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，易出現(xiàn)重影的現(xiàn)象。所以，需基于三維掃描期間配置全站儀、自動(dòng)攝像測(cè)量與實(shí)景三維建模軟件，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，使反射體的數(shù)據(jù)精度有效提升，使誤差有效降低[4]。

2.2 模型參數(shù)的確定方法

在模型參數(shù)確定期間，需利用RANSAC算法，基于噪音點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中，根據(jù)檢測(cè)模型，對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，主要方法為：其一，將Data樣本集內(nèi)模型M設(shè)置好，根據(jù)其特征，對(duì)最低抽樣數(shù)量n確定；然后基于其內(nèi)部將n個(gè)樣本選出來，構(gòu)建出初始的模型M1。其二，基于剩余的樣本當(dāng)中，即在SC＝Data-s內(nèi)，對(duì)樣本集進(jìn)行隨機(jī)抽取，然后構(gòu)建出模型M2，通過模型M1和模型M2之間的對(duì)比分析，得出正確的最優(yōu)化模型。

除此之外，還需要做好平面區(qū)域分割工作，如果把點(diǎn)云劃分成非平面與平面區(qū)域，則需利用RANSAC算法，使采樣點(diǎn)數(shù)減少，使檢測(cè)速率加快，進(jìn)一步得到精準(zhǔn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)然，還可以對(duì)RANSAC算法加以應(yīng)用，進(jìn)行平面檢測(cè)作業(yè)，不需要對(duì)建筑所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集，便可以進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，在對(duì)模型參數(shù)加以明確的基礎(chǔ)上，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的精準(zhǔn)性。

2.3 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

以某建筑測(cè)量工程項(xiàng)目為例，可以使用三維激光掃描技術(shù)，利用Rigel VZ-400掃描儀進(jìn)行掃描，具體指標(biāo)內(nèi)容包括：①近紅外線波長為1550nm，安全級(jí)別為Ciass I；②光斑直徑為0.25nm，掃描精度為3mm；③水平掃描視場為360°、垂直掃描視場為100°；④此外，如果掃描表面反射率＞90%，那么在高速掃描期間，將距離設(shè)置為350nm，長距離掃描距離為600m。涉及的掃描技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）數(shù)據(jù)采集及處理。本建筑工程項(xiàng)目基于平面領(lǐng)域?yàn)檩S線對(duì)稱，正立面中橫縱結(jié)構(gòu)一共有三段?？衫肦iscan PRO軟件，針對(duì)建筑相鄰站點(diǎn)的公共位點(diǎn)采取粗拼接措施，并以點(diǎn)云誤差最小化的原則，實(shí)施細(xì)拼接處理，進(jìn)一步把車站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集中掃描到儀器坐標(biāo)系當(dāng)中，使平滑處理及點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理順利完成[5]。

（2）成果輸出。利用Geomagic，對(duì)三角網(wǎng)模型進(jìn)行構(gòu)建，并對(duì)數(shù)碼相機(jī)、三維模型應(yīng)用，把高分辨率圖片導(dǎo)入軟件當(dāng)中，使映射有效完成。在對(duì)三維模型進(jìn)行重建的基礎(chǔ)上，將本工程項(xiàng)目建筑的剖面圖、立面圖以及側(cè)面圖繪制出來，獲取顯著、精準(zhǔn)、且有效的測(cè)量成果，進(jìn)一步為建筑后期修繕及調(diào)整提供有效憑據(jù)。

3 結(jié)語

綜上所述，認(rèn)識(shí)到三維激光掃描和傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量方法比較，優(yōu)勢(shì)突出。而在建筑測(cè)量過程中，需根據(jù)建筑的特點(diǎn)，比如單體建筑或大規(guī)模建筑，進(jìn)行合理科學(xué)地掃描建模，進(jìn)一步對(duì)模型參數(shù)加以明確。此外，在建筑工程項(xiàng)目測(cè)量工作中，利用三維激光掃描技術(shù)，需重視數(shù)據(jù)采集及處理，并將成果輸出，以此使三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值得到有效體現(xiàn)，進(jìn)一步全面提升建筑測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度?？傊?，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用價(jià)值頗高，值得在建筑測(cè)量工作中推廣及應(yīng)用。