李忠富

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽合肥 230009)

三維激光掃描技術(shù)是一種新近發(fā)展起來(lái)的獲取空間三維信息的全新掃描技術(shù)，又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)與其他信息獲取方法互相結(jié)合和補(bǔ)充，為諸多領(lǐng)域開(kāi)辟了新的發(fā)展空間和思路，推動(dòng)了原有應(yīng)用領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)方面、三維模型的重建工作以及工程施工過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和控制等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用，取得了一定的進(jìn)展，給傳統(tǒng)的測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。三維激光掃描技術(shù)被譽(yù)為是繼GPS技術(shù)以來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革新。本文分析了三維激光掃描的基本原理，探討了基于離散云的三維重建和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)陣化處理方法，并通過(guò)實(shí)例分析和證實(shí)了其有效性。

1 三維激光掃描基本原理

三維激光掃描儀是一種通過(guò)激光測(cè)距原理，瞬時(shí)測(cè)得物體的空間三維坐標(biāo)值的測(cè)量?jī)x器，主要由激光掃描系統(tǒng)及其附帶的CCD數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)、配套的軟件和內(nèi)部校正系統(tǒng)所構(gòu)成。目前，地面三維激光掃描儀通常采用TOF脈沖測(cè)距法，這是一種高速激光測(cè)時(shí)、測(cè)距方法，三維激光點(diǎn)P(XP，YP，ZP)坐標(biāo)計(jì)算方法如式(1)所示。三維激光掃描測(cè)量?jī)x器的工作原理及其內(nèi)部坐標(biāo)系，如圖1，圖2所示。

其中，S為測(cè)距觀測(cè)值;α為每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值;θ為縱向掃描角度觀測(cè)值。

2 基于離散點(diǎn)云的三維重建

基于三維離散點(diǎn)云的三維重建流程具體包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、離散點(diǎn)云的三角化(構(gòu)建三角網(wǎng)格模型)以及三角網(wǎng)格的渲染三個(gè)部分。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，這是三維重建技術(shù)的基礎(chǔ)。三維掃描過(guò)程中，不僅外界環(huán)境因素對(duì)掃描實(shí)體存在阻擋和遮掩等影響，掃描實(shí)體本身亦可能存在不均勻的反射特性，這些均會(huì)影響最終掃描結(jié)果。因此，需要選擇合適的過(guò)濾算法來(lái)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行過(guò)濾，剔除其中含有的不穩(wěn)定點(diǎn)與錯(cuò)誤點(diǎn)。

2.2 離散點(diǎn)云的三角化

通常得到的三維數(shù)據(jù)一般都是離散、復(fù)雜的三維點(diǎn)云，因此直接顯示在屏幕上，無(wú)法得到重建物體的表面。因此需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角化，重建結(jié)果為一張與原物體表面拓?fù)涞葍r(jià)的三角形網(wǎng)格。

2.3 三角網(wǎng)格的渲染

經(jīng)過(guò)前述兩個(gè)過(guò)程的處理，可以得到真實(shí)物體的三角網(wǎng)格圖形。一般的，三角網(wǎng)格基本能正確反映離散點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。為了真實(shí)再現(xiàn)物體的表面，還需對(duì)模仿真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行光照處理，將顏色信息和材質(zhì)信息等賦予三角化網(wǎng)格的各個(gè)頂點(diǎn)，從而繪制出具有真實(shí)色彩的三維模型。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)陣化處理

地面三維激光掃描獲得的數(shù)據(jù)是目標(biāo)物體的三維點(diǎn)云，這與傳統(tǒng)攝影測(cè)量和遙感處理的數(shù)字圖像是不同的。離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不能夠真實(shí)準(zhǔn)確地表達(dá)建筑物的整體模型，點(diǎn)云中點(diǎn)的組織是無(wú)固定順序的，即調(diào)換兩個(gè)點(diǎn)的存放次序，點(diǎn)云曲面不會(huì)改變。為了滿足建筑物三維建模的需求，首先要對(duì)所獲得的原始無(wú)序點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立起點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系。因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表達(dá)和空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直接影響著數(shù)據(jù)處理算法的可行性和效率。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組織形式

三維激光掃描儀掃描文件是非公開(kāi)格式，無(wú)法直接讀取操作，只能通過(guò)配套軟件導(dǎo)出ASC格式。ASC文件由掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)、激光反射強(qiáng)度和顏色信息構(gòu)成，點(diǎn)的表現(xiàn)形式為(X，Y，Z，I，R，G，B)。

*.PTX文件與ASC文件相同的是文件中包含三維坐標(biāo)、激光反射強(qiáng)度和顏色信息。不同的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照本身的空間排列次序排放，點(diǎn)云之間拓?fù)潢P(guān)系比較明確，包含數(shù)據(jù)的點(diǎn)的行數(shù)和列數(shù)、配準(zhǔn)參數(shù)(旋轉(zhuǎn)矩陣、平移向量以及全局變換矩陣)等，同時(shí)文件中也以(0，0，0)的形式保存了一些掃描廢點(diǎn)信息，文件如圖3所示。

因此，將原始點(diǎn)云的ASC格式轉(zhuǎn)換成PTX格式，對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和建模有著直接的意義。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)陣化輸出

從測(cè)站觀察時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)云客觀上呈點(diǎn)陣狀，當(dāng)用掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系表示空間點(diǎn)位置時(shí)，點(diǎn)云中表示水平和垂直的角度為順序增加或減小，且與點(diǎn)序關(guān)系相符。因此，只要將點(diǎn)云按行列號(hào)(i，j)輸出，即可完成點(diǎn)云的點(diǎn)陣化處理。

根據(jù)三維激光掃描的基本原理，可以將三維激光點(diǎn)云映射到由橫向掃描角α、縱向掃描角θ構(gòu)成的坐標(biāo)系中(α∈(0，2π)，θ∈( －π/2，π/2))，如式(2)所示。

將三維激光點(diǎn)云沿α，θ軸以Δα，Δθ等角展開(kāi)，如式(3)所示，生成M行N列的二維矩陣，之后按式(4)確立三維點(diǎn)云所在的行列號(hào):

其中，M為點(diǎn)云的總行數(shù);N為點(diǎn)云的總列數(shù);i為掃描點(diǎn)在矩陣中的行號(hào);j為掃描點(diǎn)在矩陣中的列號(hào)。

三維激光掃描儀掃描文件一般為ASC文件，該文件中并無(wú)掃描時(shí)橫向與縱向掃描角度間距Δα，Δθ。因此如何計(jì)算測(cè)站掃描時(shí)橫向與縱向掃描角度間距是求得掃描時(shí)點(diǎn)云所在行列號(hào)的關(guān)鍵，此間距類(lèi)似于采樣間距。

設(shè)橫向掃描間距與縱向掃描間距比為:

ΔH∶ΔV=a∶b(ΔH，ΔV分別為橫向與縱向掃描間距) (5)每個(gè)點(diǎn)占面積為 Δα ×Δθ，總面積依舊為(αmax－ αmin)(θmaxθmin)，則:

又根據(jù)比例關(guān)系:

由此可得:

因此，將式(8)代入式(3)和式(4)中，即可求得各掃描點(diǎn)的行列號(hào)。通過(guò)以上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法就可以精確地描述其散亂點(diǎn)云的拓?fù)潢P(guān)系。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

使用Trimble GX掃描儀對(duì)某實(shí)驗(yàn)室的墻角分別進(jìn)行了掃描，墻角的橫向掃描間距10mm和縱向掃描間距為20mm，掃描距離為4.809m，掃描時(shí)間為60s，共3089個(gè)點(diǎn)，初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)用軟件PointScape打開(kāi)，如圖4所示。利用VC++平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)陣化處理，并輸出成PTX格式文件，最后通過(guò)專(zhuān)業(yè)三維建模軟件建立三角網(wǎng)格，如圖5所示。

從圖5中可以看出三角網(wǎng)格的總體效果比較好，直觀的反映出點(diǎn)云在空間位置上的變化。而個(gè)別掃描點(diǎn)缺失造成的原因可能是掃描儀自身的誤差、該掃描點(diǎn)的反射率低、算法的舍入誤差等，實(shí)驗(yàn)表明該算法對(duì)不等分辨率的三維點(diǎn)云的點(diǎn)陣化是有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

地面三維激光掃描技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)速度快、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、作業(yè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在工程中不斷得到應(yīng)用。本文總結(jié)分析了三維激光掃描技術(shù)的工作原理，提出了散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)陣化算法，通過(guò)將三維點(diǎn)云進(jìn)行二維化處理，并按點(diǎn)云的行列號(hào)輸出，比較有效地建立起點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)而生成三維網(wǎng)格模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為后續(xù)的點(diǎn)云配準(zhǔn)與三維建模工作奠定了基礎(chǔ)。

［1］李清泉，楊必勝，史文中，等.三維空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、建模與可視化［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

［2］馬立廣.地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2005.

［3］張 毅.地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2008.

［4］潘建剛.基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京:首都師范大學(xué)，2005.

［5］王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測(cè)繪中的應(yīng)用［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.