■牛建國(guó)

（河北省第二測(cè)繪院河北石家莊050031）

淺析三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

■牛建國(guó)

（河北省第二測(cè)繪院河北石家莊050031）

在測(cè)繪領(lǐng)域中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)成為測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的技術(shù)革新，三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，能夠提供物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),突破了傳統(tǒng)意義上的單點(diǎn)測(cè)量的方法。本文主要介紹了三維激光掃描技術(shù)以及其在數(shù)據(jù)處理和誤差精度控制上的表現(xiàn)，分析其原因。

三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)處理精度控制

三維激光掃描技術(shù)是一門新型高效的測(cè)量技術(shù)，它是繼GPS技術(shù)后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)的誕生。其在數(shù)據(jù)處理方法和獲取方法以及服務(wù)能力水平上都進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的分類

我國(guó)目前把三維激光掃描技術(shù)分為兩類：機(jī)載型、地面型。在測(cè)量方式上還細(xì)化成移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)、手持式激光掃描系統(tǒng)。在當(dāng)前，地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng)是目前最重要的掃描裝置。其一般由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、軟件控制平臺(tái)、電源以及其它的相關(guān)的附件組成。

2 地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

三維激光掃描儀的發(fā)射器在進(jìn)行工作時(shí)會(huì)向目標(biāo)發(fā)射一個(gè)激光脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在接觸到物體表面是被反射回來，順著相同的路線反向傳回到接收器中，從而獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)。當(dāng)脈沖在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)精密的時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)脈沖橫向掃描的觀測(cè)值和縱向掃描的觀測(cè)值。

3 三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

三維激光采集數(shù)據(jù)時(shí)采集的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理一般包括有下列各個(gè)步驟：

（1）噪聲去除。噪聲去除就是指將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)去除掉。由于某些原因的影響，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云噪聲這一現(xiàn)象的發(fā)生。比如說移動(dòng)的車輛和行人還有樹木，也同樣會(huì)被掃描儀采集到，這些都是要在后續(xù)的工作中刪除掉的。

（2）多視對(duì)齊。多視對(duì)齊是說被測(cè)量的物體的體型大或者外表比較復(fù)雜，那么在掃描時(shí)就不能一次性測(cè)出物體表面的所有數(shù)據(jù)，這樣的情況需要我們從不同的位置，去進(jìn)行多視角的多次掃描，多視對(duì)齊的實(shí)質(zhì)就在于此。

（3）數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)是指在海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，在不影響曲面重構(gòu)和保持著一定精度的情況下需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，而我們比較常用的精簡(jiǎn)模式有平均精簡(jiǎn)，按距離精簡(jiǎn)兩種。如若想真實(shí)的反映掃描目標(biāo)，那就需要準(zhǔn)確的將需要掃描的數(shù)據(jù)用曲面表示出來，這項(xiàng)過程就是曲面重構(gòu)。

（4）曲面重構(gòu)。我們比較常見的曲面的表示種類有：細(xì)分曲面、暗含的函數(shù)表示、明確的函數(shù)表示、三角形網(wǎng)絡(luò)、參數(shù)曲面、曲化的面片等。這里主要說說參數(shù)曲面重構(gòu)和細(xì)分曲面重構(gòu)。

參數(shù)曲面重構(gòu)是對(duì)幾何形狀進(jìn)行的描述，這項(xiàng)理論起源于上世紀(jì)60年代，它的主要思想是用一組基函數(shù)做為分權(quán)因子，在通過一組初始控制向量的線性組合獲得形體的連續(xù)表示，我們一般采用的參數(shù)曲面有Bezier曲面，B樣條曲面和NURBS曲面等。

細(xì)分曲面重構(gòu)主要針對(duì)復(fù)雜的物體表面模型重建和曲面拼合問題，從初始的多面體控制網(wǎng)絡(luò)開始，應(yīng)用某種細(xì)分規(guī)則，對(duì)新生成的每個(gè)網(wǎng)格的頂點(diǎn)進(jìn)行相繼歸集的計(jì)算，原始網(wǎng)格的幾個(gè)相鄰頂點(diǎn)的加權(quán)平均，通過不斷的細(xì)分，逐漸將控制網(wǎng)格磨光。在無窮多次細(xì)分后，最終將控制網(wǎng)格將收斂于一張光滑曲面，這就是重建曲面。

4 三維激光掃描儀的精度分析

（1）三維激光掃描儀的測(cè)量誤差分析。三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量誤差可分為兩種；系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差可能會(huì)引起掃描點(diǎn)的坐標(biāo)錯(cuò)誤，可以通過公式的改正后修正系統(tǒng)來解決。測(cè)量系統(tǒng)的偶然誤差是一些隨機(jī)性的錯(cuò)誤的集中體現(xiàn)。在測(cè)量誤差上的影響因素較多，主要可以分為三類：儀器誤差、與目標(biāo)物體反射有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件。儀器誤差又包括激光測(cè)距誤差，掃描角度測(cè)量誤差。與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差主要是目標(biāo)物體表面粗糙的原因。外界環(huán)境因素主要包括溫度和氣壓等因素。

（2）三維激光掃描儀精度控制。在了解到相關(guān)的可能出現(xiàn)差錯(cuò)的原因后我們需要找到解決的對(duì)策來加以控制。在系統(tǒng)的測(cè)量誤差上激光測(cè)距的影響相對(duì)比較重要，我們要防止在掃描儀脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差和測(cè)距技術(shù)中的不確定間隔的缺陷所引起的誤差，需要運(yùn)用一些好的技術(shù)處理發(fā)生的各種突變的誤差。激光測(cè)距誤差綜合體現(xiàn)為測(cè)距中的固定誤差和比例誤差，我們可以用儀器檢定確定測(cè)距誤差的大小。在掃描角上引起的誤差可以通過保證其水平和豎直的掃描角度，在轉(zhuǎn)動(dòng)中減少其振動(dòng)，始終保持精確的角度。

（3）提高測(cè)量精度的方法。通過調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)設(shè)定，減少坐標(biāo)系堆疊的步數(shù)，可以減少單個(gè)曲面片坐標(biāo)系的堆疊的偏差，將激光掃描儀距離掃描物體的最大距離控制在標(biāo)稱距離的一半以內(nèi)，也可以有效提高三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量上的精確度，使三維激光掃描儀的工作能夠更加有效的開展。

5 三維激光掃描儀技術(shù)在將來的發(fā)展

比較現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們知道在未來，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)有更加廣泛地發(fā)展空間和明確的發(fā)展方向。通過自身的技術(shù)發(fā)展降低國(guó)內(nèi)三維激光掃描儀的價(jià)格，拓寬國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)，規(guī)范三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)格式，制定相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。通過與傳統(tǒng)的手段相結(jié)合，來克服精度和測(cè)距上的矛盾，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高精度的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。在不斷提高技術(shù)的基礎(chǔ)上，側(cè)重于研究技術(shù)核心下的新的測(cè)量數(shù)據(jù)方式，以及測(cè)量操作方式，從而提高測(cè)量的初始精度，采取改善數(shù)據(jù)算法的方式來不斷降低數(shù)據(jù)在計(jì)算上的誤差。

6 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是時(shí)代進(jìn)步的體現(xiàn)，推動(dòng)了我們身邊許多的行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步。同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)使測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域在數(shù)據(jù)的提供上，有了更高的精準(zhǔn)度。盡管現(xiàn)在的三維激光掃描儀的價(jià)格過高，在有些的數(shù)據(jù)處理和精度測(cè)量上還存在著缺陷，但我相信隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷研究發(fā)展和合理化與規(guī)范化，在不久的將來這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)在數(shù)據(jù)處理和精確度上有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

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P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-203-1