許寧 鐘友玲 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院

地面三維激光掃描點云重建技術(shù)研究

許寧 鐘友玲 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院

三維激光掃描技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。本文主要以建模為目的，點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行點云重建技術(shù)研究。簡要分析了點云數(shù)據(jù)及建模過程誤差來源，并且提出了一種可以減小誤差的建模方法。

三維激光掃描技術(shù) 點云重建 點云誤差

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，它的出現(xiàn)是測量領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一項測繪新技術(shù)，并且已經(jīng)成為獲取空間信息數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段。由于點云中的每個數(shù)據(jù)都是直接從被測物體進行表面獲取，無需對點云數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的后期處理，即可保證數(shù)據(jù)的完整性、真實性和可靠性。三維激光掃描技術(shù)還具有高精度、速度快的特點。

具備上述諸多優(yōu)點，該技術(shù)在文物保護、城市三維建模、地形測量、建筑物變形監(jiān)測、逆向工程、竣工測量等諸多領(lǐng)域具有很好的潛在應(yīng)用價值。

1 研究意義及研究現(xiàn)狀

當(dāng)前科技發(fā)生著日新月異的變化，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運而生并且獲得了良好的效應(yīng)。三維激光掃技術(shù)有別于其他單點測量技術(shù)，他是實現(xiàn)海量點云數(shù)據(jù)的獲取，并且可以建立三維實體模型?，F(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用在考古修復(fù)、逆向工程、滑坡泥石流等眾多自然災(zāi)害預(yù)測，在當(dāng)今社會扮演著越來越重要的角色。

2002年I.Stamos和P.K.Alle等創(chuàng)建了通過CCD攝像機獲取圖像，并將其融合的點云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功的應(yīng)用到了古建筑對的三維建模。2005年，在對秦俑二號坑遺址進行發(fā)掘的同時引入了地面三維激光掃描技術(shù)，并建立了三維模型。

2 誤差來源及分析

2.1 誤差來源

點云數(shù)據(jù)在采集的過程中以及在點云數(shù)據(jù)后期建模處理階段都會產(chǎn)生誤差，誤差是不可避免的。主要誤差來源有：

①儀器自身誤差；

②周圍環(huán)境引起的誤差（如：空氣波動、溫度、大氣折光等）；

③人為誤差（如：處理方法不完善，同名點選取誤差過大）。

2.2 減小誤差方法

地面三維激光掃描儀有其自身工作的適宜條件，所以，要在合適的外界條件下進行掃描工作。周圍人員不能走動頻繁，會引起空氣波動帶來噪聲點，此類噪聲點在建模過程中很難處理，不易快速建模。儀器應(yīng)當(dāng)定期檢修，減小儀器的老化帶來的誤差。

數(shù)據(jù)處理階段也是很容易引起誤差的，在數(shù)據(jù)拼接過程中，由于是手動數(shù)據(jù)配準，選取同名點的時候會由于人為因素造成點選取誤差過大。因此，本文提出兩種軟件結(jié)合使用，先利用RiSCAN Pro軟件進行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，再進行數(shù)據(jù)拼接，拼接后會有誤差顯示，適當(dāng)調(diào)節(jié)同名點，減小誤差，然后平差。這樣拼接后的點云數(shù)據(jù)進行后期建模誤差較小。

3 點云重建技術(shù)過程

點云重建主要可以分為以下幾個步驟：

①實地踏勘制定掃描方案。在進行掃描作業(yè)前，現(xiàn)場踏勘選好測站點。

②在踏勘好的測站點進行作業(yè)，采集點云數(shù)據(jù)。

③用RiSCAN Pro軟件先進行簡單的去噪，將四站數(shù)據(jù)進行拼接，拼接完成后平差處理，導(dǎo)出dat格式數(shù)據(jù)。

④數(shù)據(jù)導(dǎo)入geomagic studio 2013，進行精細的點云去噪、平滑、濾波等操作。

⑤數(shù)據(jù)封裝，并且利用軟件中的網(wǎng)格醫(yī)生、簡化多邊形、填補孔等功能對破損的模型進行修補，將破損部位還原，得到逼真的立體模型。

⑥進行紋理貼圖。紋理貼圖需要照片和點云數(shù)據(jù)中的同名點配對，為達到預(yù)期效果，最好是用正面拍的圖片。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，地面三維激光掃描技術(shù)在點云重建方面有著良好的效果。相比傳統(tǒng)測繪技術(shù)有著無法比擬的優(yōu)勢，具有快速、精度高、自動化程度更高等特點。但是，其誤差影響因素也隨之增多，適用距離也不是很大。地面三維激光掃描點云重建技術(shù)方法沒有形成一套標準，所以，該技術(shù)還有待完善。

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[3]余明,丁辰,劉長征.北京故宮修復(fù)測繪研究[J].測繪通報,2004(4):11-12

許寧（1994—），男，漢族，江西宜春人，碩士研究生，江西理工大學(xué)測繪與建筑工程學(xué)院，測繪科學(xué)與技術(shù)。