張 鍵，李孝雁，韓 劍，張世恩

（1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪工程系，河南 開封 475001；3.南陽高新區(qū)大地測繪有限公司，河南 南陽 473000）

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是最近幾年得到迅速發(fā)展的一種高新測量技術(shù)。 與傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方法不同，地面三維激光掃描是從水平到垂直的全自動(dòng)、高精度、進(jìn)步式掃描測量[1]。 這種技術(shù)不用接觸物體，就能連續(xù)、快速地獲取物體表面的點(diǎn)云信息，并將所掃描到的空間信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)。 它擁有數(shù)據(jù)獲取速度快，數(shù)據(jù)信息豐富，信息傳輸、加工、表達(dá)容易等特點(diǎn)[2]。 基于以上特性，三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測、管線測量、文物保護(hù)等領(lǐng)域顯示出獨(dú)特、無法取代的優(yōu)越性[3]，被稱為繼GPS 技術(shù)以來測繪領(lǐng)域又一次重大技術(shù)革命。 本文試以構(gòu)筑物石獅像為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和三維建模具體實(shí)施過程進(jìn)行探討。

1 三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取及處理工作流程

重建某一物體的數(shù)字模型，需要經(jīng)過一系列技術(shù)流程：即擬定作業(yè)計(jì)劃、獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)3 部分。 在具體實(shí)施之前，應(yīng)制訂詳細(xì)的作業(yè)計(jì)劃，即根據(jù)掃描對(duì)象的特點(diǎn)和精度要求，設(shè)計(jì)合適的作業(yè)路線和測站數(shù)、確定合理的掃描距離和采樣密度等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取階段主要包括采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、初步驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理階段主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、格網(wǎng)構(gòu)建、三維重建等[4-5]。 工作流程如圖1 所示。

2 石獅像三維空間模型構(gòu)建

圖1 地面激光掃描測量系統(tǒng)工作流程Fig.1 Working process of terrestrial laser scanning system

本次構(gòu)筑物石獅像采用Lecia ScanStation2 三維激光掃描儀和配套軟件Cyclone6.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，并利用逆向工程軟件Geomagic Studio 11將三維掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型。

2.1 數(shù)據(jù)的采集

三維激光掃描儀每次掃描只能獲取目標(biāo)物的局部數(shù)據(jù)。 為全面獲取石獅像表面的三維坐標(biāo)，圍繞石獅像一周設(shè)置三站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每站均采用1～2 mm 的采樣密度。 由于分站掃描，在構(gòu)筑物附近適當(dāng)?shù)奈恢梅胖萌斯?biāo)靶，便于數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度。 在數(shù)據(jù)采集過程中，三維激光掃描儀配合Cyclone6.0 軟件，實(shí)時(shí)觀察、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理階段主要包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、剔除噪聲點(diǎn)和重采樣3 個(gè)階段。 經(jīng)過預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)將直接用于構(gòu)筑物的三維重建。 因此，數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量的高低將直接影響到后期的建模精度[6]。

2.2.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

地面三維激光掃描儀每站掃描都是儀器自定義的坐標(biāo)系，即每站坐標(biāo)系都是相互獨(dú)立的。 為得到掃描對(duì)象完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須將每次掃描結(jié)果轉(zhuǎn)換在統(tǒng)一坐標(biāo)系下， 這個(gè)過程即是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)過程。

點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換[6]，即在兩個(gè)不同測站N1和N2數(shù)據(jù)中，找出3 個(gè)或3 個(gè)以上的特征點(diǎn)， 以其中一站坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，將另外一站的數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系下。 轉(zhuǎn)換模型公式為：

式中：λ 為比例系數(shù)；R 為關(guān)于旋轉(zhuǎn)變量（Ф、ω、θ）的旋轉(zhuǎn)矩陣；T 為平移矩陣，表示坐標(biāo)原點(diǎn)的平移量[7]。

解算R、T 的過程，就是解算6 個(gè)待定參數(shù)Δx、Δy、Δz、Ф、ω、θ 的過程。 常用的配準(zhǔn)方法有3 種：基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)、基于目標(biāo)物特征點(diǎn)的配準(zhǔn)、基于標(biāo)靶和特征點(diǎn)的混合配準(zhǔn)。 上述3 種方法中，基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)精度較高。 該方法以某一掃描站的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，將其他各站的坐標(biāo)系統(tǒng)都轉(zhuǎn)換到該站的坐標(biāo)系統(tǒng)下，不同測站之間需要至少3 對(duì)以上的同名標(biāo)靶來完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。 本次配準(zhǔn)也采用這種方法。拼接前后對(duì)比圖如圖2 所示， 拼接后點(diǎn)云誤差為0.001m，誤差向量為（0.001，-0.001，0.000）m。

圖2 不同測站點(diǎn)云拼接前后對(duì)比圖Fig.2 Comparison of before and after cloud registration at different test sites

2.2.2 剔除噪聲點(diǎn)

在三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的過程中，由于儀器誤差、外界因素（如激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)引起的抖動(dòng)、運(yùn)動(dòng)物體干擾、激光發(fā)散等）的影響，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可能包含一些不屬于目標(biāo)物的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被稱為噪聲點(diǎn)。 因此，對(duì)于拼接完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行去除噪聲點(diǎn)處理。 對(duì)比較明顯的噪聲數(shù)據(jù)（如孤立點(diǎn)或突起點(diǎn)）， 可采用手工刪除的方法剔除。本次數(shù)據(jù)處理是在Cyclone 6.0 軟件上進(jìn)行手工剔除的。

2.2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)重采樣

三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很龐大。若不對(duì)其進(jìn)行篩選，將直接影響到數(shù)據(jù)處理的速度和效率，不利于后續(xù)的模型重建過程。 這是由于相鄰兩站在掃描過程中會(huì)有一定的重疊區(qū)域，在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)重疊和數(shù)據(jù)冗余。 并且，觀測站附近數(shù)據(jù)點(diǎn)非常密集，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際的需求。 因此，有必要在不影響數(shù)據(jù)精度的情況下，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)置某一閾值進(jìn)行重采樣。 本次點(diǎn)云數(shù)據(jù)重采樣是在Cyclone6.0 軟件上進(jìn)行的，需要設(shè)置重采樣密度，通過軟件自動(dòng)完成。 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3 所示。

2.3 石獅空間建模

三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云模型是由空間離散點(diǎn)構(gòu)成的，這些點(diǎn)并不能真實(shí)地表現(xiàn)構(gòu)筑物的實(shí)體表面，需要通過一些特殊算法恢復(fù)構(gòu)筑物表面的拓?fù)潢P(guān)系。 構(gòu)建三角網(wǎng)就是一種簡單實(shí)用的方法。在三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的過程中，由于障礙物遮擋，會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不完整，形成數(shù)據(jù)空洞。 在構(gòu)網(wǎng)時(shí)，這些空洞無法得到完整表達(dá)，需要根據(jù)構(gòu)筑物特點(diǎn)進(jìn)行空洞填補(bǔ)，最終得到完整的網(wǎng)絡(luò)模型[8]。筆者在Geomagic Studio11 中對(duì)三角網(wǎng)模型進(jìn)行了多項(xiàng)細(xì)節(jié)操作，效果圖如圖4 所示。

完成構(gòu)筑物的網(wǎng)格模型品構(gòu)建后，還要對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行紋理信息恢復(fù)，即紋理重建。 紋理重建的主要目的是建立網(wǎng)格模型與影像之間的紋理映射[9]。結(jié)合數(shù)碼相機(jī)采集到的紋理信息，在軟件中采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行紋理映射，最終完成石獅像的三維建模，其最終效果圖如圖5 所示。

圖3 預(yù)處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 Point cloud data after pretreatment

3 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)作為一種全新的技術(shù)手段，獲取的數(shù)據(jù)更加完善和精確，而非接觸式測量更加適用于表面不規(guī)則的構(gòu)筑物[10]。 與傳統(tǒng)的測繪方法相比， 三維激光掃描技術(shù)具有高效的作業(yè)流程，能在較短的時(shí)間內(nèi)獲取上百萬個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，操作簡單，所需作業(yè)時(shí)間短，數(shù)據(jù)獲取更全面、快捷、安全，可以完成一些常規(guī)手段無法完成的任務(wù)，尤其適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面不規(guī)則的構(gòu)筑物。

圖5 三維重建效果圖Fig.5 3D reconstruction effect

隨著三維激光掃描技術(shù)的成熟和數(shù)據(jù)處理算法的不斷完善，激光掃描技術(shù)在模型重建方面必將得到廣泛的應(yīng)用。

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