朱曙光，何 寬，2 ，周建鄭

(1. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪工程學(xué)院，河南 開封 475003； 2. 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

近些年，隨著信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，測繪科學(xué)技術(shù)也發(fā)生了巨大變革，三維激光掃描技術(shù)已逐步應(yīng)用于三維建模、變形監(jiān)測等領(lǐng)域中。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高精度的三維建模還主要應(yīng)用于機(jī)械模具這些小型化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面，而對于高大建筑物因采集受地形、建筑物本身結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件等的影響，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失或產(chǎn)生噪聲，要想獲得高精度的建模效果具有一定的難度。本文主要以河南理工大學(xué)西門為例詳細(xì)論述了基于Leica Scan Station P40三維激光掃描系統(tǒng)在建筑物精細(xì)建模中的應(yīng)用。

1 Leica Scan Station P40三維激光掃描系統(tǒng)

Scan Station P40是由徠卡公司生產(chǎn)的新一代超高速三維激光掃描系統(tǒng)，主要包括三維激光掃描儀、專用標(biāo)靶、計(jì)算機(jī)和Cyclone配套數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成。主要有以下特點(diǎn)：

(1) 全方位視角測量、速度快、精度高。Leica P40可以實(shí)現(xiàn)360°×290°無死角的掃描，掃描速率可以達(dá)到1 000 000點(diǎn)/s，單點(diǎn)的測量精度可達(dá)mm級，掃描儀的精掃標(biāo)靶獲取精度為2 mm，保證了數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度。

(2) 自動(dòng)獲取高分辨率圖像。Leica P40三維激光掃描儀集成了400萬像素自動(dòng)調(diào)焦的數(shù)碼相機(jī)，它可以拍照和獲取連續(xù)圖像，獲取的高像素照片可以用于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的紋理貼圖。

(3) 外業(yè)操作便捷、智能化程度高。P40內(nèi)置功能強(qiáng)大的機(jī)載程序，高分辨率的彩色觸摸屏操作，使外業(yè)的數(shù)據(jù)掃描工作非常直觀、便捷，同時(shí)還可以結(jié)合棱鏡或GNSS進(jìn)行外業(yè)掃描作業(yè)，能夠大大提高作業(yè)速度和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度。

(4) 功能齊全的專業(yè)后處理軟件。主要包括三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的Cyclone軟件、Cloudworx及TruView功能模塊，這些使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理更加容易和高效。其中Cyclone軟件為三維激光掃描領(lǐng)域的主流點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，用戶使用該軟件即可以高效控制掃描儀對實(shí)體進(jìn)行掃描，高速有效地提取高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.1 準(zhǔn)備工作

掃描前應(yīng)根據(jù)目標(biāo)位置和形狀合理設(shè)置測站位置和數(shù)量，測站位置應(yīng)選擇在地勢平坦、地基穩(wěn)定且視野開闊的地方，以保證能最大范圍地掃描到被測目標(biāo)。Lecia P40三維激光掃描儀具有測站定向功能，使用該功能可以在數(shù)據(jù)采集時(shí)使獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)完成配準(zhǔn)，若布設(shè)標(biāo)靶則應(yīng)結(jié)合測量實(shí)際情況和具體要求，將標(biāo)靶布設(shè)在各測站掃描的重疊區(qū)域內(nèi)，公共標(biāo)靶數(shù)量一般不少于3個(gè)，并且盡量避免位于同一條直線上。

2.2 掃 描

為了保證建筑物掃描數(shù)據(jù)的完整性和減小原始數(shù)據(jù)及配準(zhǔn)誤差，本次分別在4個(gè)控制點(diǎn)上進(jìn)行了掃描，通過對掃描儀進(jìn)行掃描視場、分辨率和照片控制的設(shè)置等掃描參數(shù)設(shè)置后自動(dòng)完成對建筑物進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描和影像獲取。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是利用Leica三維激光掃描儀配套的數(shù)據(jù)后處理軟件Cyclone完成，其處理過程包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪濾波、點(diǎn)云分割等內(nèi)容。

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是將基于各個(gè)測站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并為一個(gè)完整統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云，主要有標(biāo)靶配準(zhǔn)、控制點(diǎn)配準(zhǔn)、點(diǎn)云配準(zhǔn)等多種方法。若掃描時(shí)進(jìn)行了設(shè)站定向操作，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

2.3.2 點(diǎn)云去噪

由于受儀器精度、物體表面、環(huán)境等因素的影響，掃描的點(diǎn)云中會(huì)出現(xiàn)一些噪聲點(diǎn)，如果不把這些點(diǎn)去除，必然會(huì)影響后續(xù)建模的精度。對于噪聲點(diǎn)的判別，一些明顯的異常點(diǎn)和散亂點(diǎn)，可直接通過肉眼判別并予以刪除，還可以根據(jù)已知信息確定的掃描儀姿態(tài)參數(shù)來判定點(diǎn)云數(shù)據(jù)有效范圍，從而剔除有效范圍之外的數(shù)據(jù)。

2.3.3 點(diǎn)云濾波

點(diǎn)云濾波即對去噪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)所進(jìn)行的平滑處理。通過濾波可以有效提高后續(xù)建模的質(zhì)量，同時(shí)可以降低點(diǎn)云的密度，節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度。點(diǎn)云濾波主要是利用掃描儀配套數(shù)據(jù)處理軟件，采用人工交互方式進(jìn)行編輯處理。去噪濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 去噪濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 三維精細(xì)建模

在Cyclone軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上利用Geomagic對合并后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維精細(xì)建模。利用Geomagic構(gòu)建建筑物三維模型一般需要經(jīng)歷點(diǎn)、多邊形和曲面3個(gè)階段的數(shù)據(jù)處理。

3.1 點(diǎn)階段

點(diǎn)階段是對配準(zhǔn)后點(diǎn)云質(zhì)量和數(shù)量做進(jìn)一步的處理，為了更加清晰、直觀地觀察點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行著色處理，由于在Cyclone中進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)時(shí)已對點(diǎn)云進(jìn)行了去噪濾波處理，在這里可以直接對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多邊形網(wǎng)格的創(chuàng)建。

3.2 多邊形階段

利用三維激光掃描儀掃描建筑物時(shí)，由于受植被、行人等障礙物的遮擋及建筑物表面反射等因素影響使掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，造成在多邊形模型上出現(xiàn)一些孔洞或缺口，為了提高建模精度，必須對其進(jìn)行填充和修補(bǔ)。經(jīng)過修復(fù)處理后多邊形數(shù)據(jù)量大，同時(shí)可能還存在一些明顯凸起和比較粗糙的區(qū)域，在保證建模精度的情況下還可以對三角形格網(wǎng)進(jìn)行簡化和光滑處理，以達(dá)到進(jìn)一步減少內(nèi)存占用、提高數(shù)據(jù)建模質(zhì)量和速度的目的。

3.3 曲面階段

曲面階段是在曲面編輯狀態(tài)下通過提取輪廓線對其編輯、移動(dòng)、細(xì)分延伸和升級約束等處理到準(zhǔn)確位置以保持輪廓線的平順，然后依次進(jìn)行構(gòu)造曲面和柵格并進(jìn)行一系列的編輯處理，最后擬合一個(gè)連續(xù)的Nurbs曲面。擬合曲面整體效果如圖2所示。

圖2 擬合曲面整體效果圖

4 三維建模精度分析

4.1 點(diǎn)位精度分析

4.1.1 儀器測量誤差

三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差主要包括測角和測距誤差，這兩方面的誤差對三維模型點(diǎn)位精度的影響為[1]

(1)

式中，md為儀器的測距誤差；mβ為儀器的測角中誤差；S為測站點(diǎn)與目標(biāo)之間的水平距離。徠卡P40三維激光掃描儀的測距精度為3 mm/50 m，測角精度為8″，掃描目標(biāo)距離在20 m以內(nèi)，這些數(shù)據(jù)代入式(1)可得儀器測量誤差為m1=3 mm。

4.1.2 標(biāo)靶精度誤差

根據(jù)徠卡P40的標(biāo)稱精度，其標(biāo)靶獲取精度的為m2=±2 mm。

4.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)誤差

由前面點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)部分可知本次配準(zhǔn)點(diǎn)云的最大誤差為m3=±2 mm。

根據(jù)誤差傳播定律可知，點(diǎn)位誤差的理論值為

(2)

將以上數(shù)據(jù)代入式(2)，可得點(diǎn)位總誤差為m=±4.1 mm。

4.2 三維模型與實(shí)測結(jié)果對比分析

本次通過分別在點(diǎn)云數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)上選取并量測對應(yīng)的10條邊長，然后和全站儀觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對分析。測得的距離數(shù)值見表1。

表1 三維模型、點(diǎn)云與全站儀對比

從表1中可以看出，點(diǎn)云數(shù)據(jù)上量測的邊長與全站儀觀測所得的數(shù)據(jù)之間偏差較小，邊長的變形最大為6 mm，最小為1 mm，邊長中誤差最大為1/937，最小為1/16 725，由于受到點(diǎn)位的偏移，點(diǎn)云擬合算法及模型的修補(bǔ)等因素的影響，三維激光掃描所建立的模型與全站儀觀測所得的數(shù)據(jù)之間存在著一定的偏差，邊長的變形最大為43 mm，最小為4 mm，邊長中誤差最大為1/348，最小為1/1394。屋頂在建模過程中使用鏡像功能，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不是絕對分割，因此屋頂模型與全站儀數(shù)據(jù)偏差稍大。

5 結(jié) 論

利用三維激光掃描技術(shù)不僅能夠自動(dòng)、快速、非接觸地獲取建筑物表面海量三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并且通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析能夠快速實(shí)現(xiàn)高精度、高仿真模型的構(gòu)建，可以滿足各種工程的需要。與此同時(shí)三維激光掃描技術(shù)仍處在一個(gè)不斷發(fā)展、完善的階段，相信未來三維激光掃描硬件及軟件功能的提升必將使其在建筑物精細(xì)建模及其他領(lǐng)域得到更深入的應(yīng)用，這也是三維激光掃描技術(shù)未來發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。

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