陳威

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430100）

三維立體顯示是當(dāng)今世界各國大力發(fā)展的新型顯示技術(shù)，它的誕生與發(fā)展正在吸引越來越多人的關(guān)注，近年來，三維立體顯示在醫(yī)療，軍事，電視廣播，視頻游戲，教育，體育等諸多領(lǐng)域。三維顯示技術(shù)也逐漸走向計(jì)算機(jī)終端，平板電腦終端，移動(dòng)手機(jī)終端。因此三維立體顯示與地質(zhì)學(xué)相結(jié)合應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域也逐漸成為國內(nèi)外的重要方向。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 采集方法

數(shù)據(jù)采集主要采用的技術(shù)手段為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，目前所存在的激光雷達(dá)主要分為機(jī)載激光雷達(dá)，車載激光雷達(dá)，星載激光雷達(dá)以及地面激光雷達(dá)四種類型。機(jī)載激光雷達(dá)即飛機(jī)搭載激光雷達(dá)，其主要特點(diǎn)是利用飛機(jī)或直升機(jī)等飛行器搭載激光雷達(dá)設(shè)備對目標(biāo)進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)采集，其精度可達(dá)10cm 左右，適用于地面測繪，水利工程，農(nóng)業(yè)，林業(yè)以及城市規(guī)劃等領(lǐng)域。車載激光雷達(dá)，即汽車搭載激光雷達(dá)，主要適用于地物側(cè)面掃描和數(shù)據(jù)的采集，其精度可達(dá)每平方米數(shù)百個(gè)點(diǎn)。星載激光雷達(dá)即衛(wèi)星搭載激光雷達(dá)，主要適用于海岸線變化，冰川變化監(jiān)測，全球植被變化研究等諸多領(lǐng)域。地面激光雷達(dá)即在地面固定激光站點(diǎn)對目標(biāo)進(jìn)行掃描，精度達(dá)到毫米級別，每平方米可以有接近一萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑，考古，工業(yè)測量等方面。

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇

數(shù)字露頭主要用于地質(zhì)調(diào)研和考察，因此對精度要求較高，對比目前常用的激光雷達(dá)設(shè)備，地面激光雷達(dá)更適合作為數(shù)字露頭數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

RIEGL VZ400 三維激光掃描儀RIEGL 公司供應(yīng)，具有精度高，攜帶方便，數(shù)據(jù)采集速度快等優(yōu)勢，因此三維激光雷達(dá)設(shè)備選擇該設(shè)備。

1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備準(zhǔn)備

RIEGL vz400 主機(jī)：內(nèi)置存儲(chǔ)器32G；可連接U 盤存儲(chǔ)器便于數(shù)據(jù)傳輸；天線：與筆記本無線連接，短天線50 米以內(nèi)；長天線50-100 米；數(shù)據(jù)傳輸與采集筆記本有線連接；電源線：交流電源（室內(nèi)）；電池（室內(nèi)或室外）；電池充電器；GPS：內(nèi)置GPS 精度米級；采用點(diǎn)測差分GPS；三腳架；標(biāo)靶；相機(jī)。

1.4 三維激光數(shù)據(jù)采集

掃描站點(diǎn)設(shè)置：

將三維激光雷達(dá)按照如圖進(jìn)行布置，對目標(biāo)露頭進(jìn)行掃描，通過掃描收集地質(zhì)露頭返回的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)露頭的長度和寬度選擇適當(dāng)?shù)膾呙杈嚯x，并選擇適當(dāng)?shù)膾呙椟c(diǎn)，通過如圖所示選擇數(shù)個(gè)距離相同的掃描點(diǎn)，對露頭進(jìn)行完整覆蓋。

圖1 掃描站點(diǎn)布置圖

2 數(shù)據(jù)整理

三維激光雷達(dá)-RIEGL vz400 對露頭進(jìn)行掃描后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)后，然后運(yùn)用與激光雷達(dá)相匹配軟件Riscan Pro 對掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，由于數(shù)據(jù)內(nèi)存較大，上傳時(shí)間可能存在較長的問題。由于露頭面積較大，所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)由多個(gè)基站收集的多個(gè)部分組成，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行拼接，以形成整體露頭點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接分為粗拼，精拼兩個(gè)部分。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行第一步粗拼即以中間基站為原則，由兩邊站向中間基站進(jìn)行拼接，本次拼接通常在現(xiàn)場完成。

首次粗拼主要目的是查漏補(bǔ)缺，如有發(fā)現(xiàn)存在漏站情況，及時(shí)補(bǔ)掃，保證掃描露頭點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性。由于粗拼會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，需要進(jìn)行第二次精細(xì)拼接。

精細(xì)拼接首先進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，然后進(jìn)行data 選擇：選擇兩站全景點(diǎn)云。最后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，根據(jù)不同精度需要設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。將各站點(diǎn)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。精細(xì)拼接主要依靠由中心向外發(fā)射的球型投影模型原理進(jìn)行拼接。數(shù)據(jù)導(dǎo)入以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行拼接，精細(xì)拼接后的數(shù)據(jù)以.txt 文件格式進(jìn)行保存，為下一步三維建模做好數(shù)據(jù)前提準(zhǔn)備。

3 三維建模

本次三維建模軟件采用Geomagic Studio，該軟件具有簡化相應(yīng)工作流程，提高工作效率，智能化程度高，兼容性強(qiáng)和支持多種格式等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 精拼點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于激光雷達(dá)在掃描地質(zhì)露頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差和干擾，以及導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度并不一定是適合建模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度，因此需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)降噪和適當(dāng)密度的采樣，最后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝使點(diǎn)云數(shù)據(jù)從點(diǎn)數(shù)據(jù)形態(tài)轉(zhuǎn)化為多邊形形態(tài)。

（2）多邊形修正

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過封裝轉(zhuǎn)化為多邊形狀態(tài)，多邊形狀態(tài)下，模型由多個(gè)多邊形構(gòu)成，多邊形之間存在空洞，因此通過補(bǔ)洞方式對多邊形進(jìn)行優(yōu)化，使得模型完整。補(bǔ)洞方式分為單個(gè)填充和全部填充，全部填充對用于簡單模型，單個(gè)填充適用于對精度要求較高的模型。數(shù)字露頭較為復(fù)雜，且精度要求較高，因此選擇單個(gè)空逐步填充。

（3）曲面擬合

封裝后的模型從點(diǎn)云狀態(tài)轉(zhuǎn)化為曲面模型，但該模型存在模型邊界擬合不完整的問題，因此需手動(dòng)對模型曲面進(jìn)行補(bǔ)充擬合，以此達(dá)到完善模型的目的。

模型貼圖：

三維模型在Geomagic Studio 中完整封裝處理后導(dǎo)入ModelPainter 軟件進(jìn)行最后的模型貼圖。ModelPainter 由武漢大勢智慧科技有限公司為解決三維模型紋理貼圖研發(fā)的專業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了將二維光學(xué)影像映射到高精度三維模型上，并有效解決圖像銜接紋理接縫，圖像色差，變形等相應(yīng)問題。

圖3 模型貼圖流程

通過貼圖大師軟件，對三維模型和露頭照片進(jìn)行貼合，形成完整的數(shù)字露頭模型，如圖2，模型呈現(xiàn)三維狀態(tài)，且紋理清晰，并可從多角度進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)，其清晰度、精度可滿足相關(guān)學(xué)習(xí)和科研要求，達(dá)到了從地質(zhì)數(shù)字露頭的三維虛擬可視化的目的。

4 結(jié)論

圖4 數(shù)字露頭模型成圖

數(shù)字露頭在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用不僅可以豐富調(diào)查方式，而且可以打破傳統(tǒng)調(diào)查方式桎梏，對方式方法進(jìn)行創(chuàng)新。數(shù)字露頭的建立，不僅有利于地質(zhì)調(diào)查質(zhì)量的提高，而且研究人員可以充分利用數(shù)字露頭的可反復(fù)性，進(jìn)行多次調(diào)查研究。數(shù)字露頭大大節(jié)約了調(diào)查成本，野外實(shí)地考察實(shí)習(xí)，對經(jīng)費(fèi)要求較高，多用于交通，食宿以及地質(zhì)設(shè)備的購買與損耗。數(shù)字露頭的應(yīng)用不僅可以減少野外考察的次數(shù)，并且大大降低了地質(zhì)調(diào)查的相關(guān)成本，同時(shí)，研究人員可以通過反復(fù)學(xué)習(xí)研究，對技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行深入調(diào)研，逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)字露頭在地質(zhì)勘探領(lǐng)域的實(shí)踐過程中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，若逐步推廣應(yīng)用到國內(nèi)各地礦單位進(jìn)行實(shí)踐，必將大大改善地質(zhì)勘探與開發(fā)應(yīng)用環(huán)境，提高相關(guān)效率和質(zhì)量。