帽兒山老爺嶺野外實習(xí)路線的三維數(shù)字化

蘇健民，劉人碩，高輝，郭永雙，邱兆文

（東北林業(yè)大學(xué)信息與計算機(jī)工程學(xué)院，哈爾濱150040）

帽兒山老爺嶺野外實習(xí)路線的三維數(shù)字化

蘇健民，劉人碩，高輝，郭永雙，邱兆文

（東北林業(yè)大學(xué)信息與計算機(jī)工程學(xué)院，哈爾濱150040）

使用三維數(shù)字化技術(shù)對帽兒山老爺嶺野外實習(xí)路線進(jìn)行三維掃描，獲取三維點云數(shù)據(jù)，然后將實習(xí)路線的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，實現(xiàn)實習(xí)路徑的虛擬漫游。該方案代替了傳統(tǒng)的野外實習(xí)方法，取得了良好的效果。研究結(jié)果表明：三維數(shù)字化技術(shù)在模擬林業(yè)信息方面具有較好的效果，在科學(xué)研究和教育實習(xí)方面有良好的應(yīng)用前景。

三維掃描；數(shù)字化；點云；虛擬漫游

帽兒山國家森林公園境內(nèi)的天然次生林、人工林、森林濕地、溪流、草地及農(nóng)林交錯帶等生態(tài)系統(tǒng)不僅面積較大，而且在東北地區(qū)具有很強(qiáng)的典型性和代表性。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，可依據(jù)季節(jié)特點開展不同內(nèi)容的生物學(xué)野外實習(xí)。帽兒山老爺嶺生態(tài)站是國家科技部首批野外科學(xué)觀測研究站之一，主要植被類型是闊葉紅松林經(jīng)過不同程度的干擾后形成的東北東部山區(qū)典型的溫帶天然次生林，林中分布著胡桃楸、水曲柳和黃檗等重要保護(hù)樹種，以及紫椴、色木槭等經(jīng)濟(jì)樹種。林區(qū)內(nèi)動植物種類豐富，適合開展植物學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科野外實踐教學(xué)。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)了大量的新興技術(shù)［1］，其中的三維數(shù)字化技術(shù)具有良好的實用價值和應(yīng)用前景，解決了現(xiàn)實中對物體細(xì)節(jié)紋理處理不精細(xì)的難題，可詳盡地還原物體的形狀與外貌。本文使用三維數(shù)字化技術(shù)對帽兒山老爺嶺實習(xí)路線進(jìn)行建模［2］和虛擬化［3］，將森林公園制作成一個虛擬的可用來展示的真實模型［4］，學(xué)生可在計算機(jī)上自由查看實習(xí)路線上的林木形態(tài)、植被的生長地理環(huán)境、植物的種類等信息，使學(xué)生告別傳統(tǒng)的實習(xí)方法。如何使用虛擬現(xiàn)實［5］的教學(xué)手段充分利用老爺嶺豐富的林業(yè)資源是本文的研究重點。

1　三維激光掃描系統(tǒng)原理

三維激光掃描系統(tǒng)作為測繪界的一項技術(shù)革新，在簡化繁雜的工作程序的同時豐富了測繪的效果，極大地提高了測量效率和準(zhǔn)確率。它由三維激光掃描儀、計算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及配套的軟件構(gòu)成。三維激光掃描系統(tǒng)圍繞三維數(shù)據(jù)和激光信號［6-9］這兩個特性進(jìn)行物體數(shù)據(jù)的測量，其工作過程是不斷地重復(fù)發(fā)出激光信號，然后將反射回來的光學(xué)信號收集起來。這些激光信號由具有分辨率的空間點構(gòu)成，將這些點匯集起來，就得到測量物體的表面色彩和三維數(shù)據(jù)信息。

激光測距技術(shù)是三維激光掃描儀的主要技術(shù)，激光測距技術(shù)［10］的4種不同方法是基于脈沖測距法、相位測距法、激光三角法和脈沖-相位式測距法。目前，大型測繪領(lǐng)域使用基于脈沖的測距方法，小型物體近距離使用的掃描儀則采用相位干涉法［11］和激光三角法。

相位式掃描儀發(fā)射一束不間斷的整數(shù)波長的激光，通過計算物體反射的激光波的相位差來計算和記錄目標(biāo)物體的距離?；谙辔粶y量原理［12］，其掃描范圍通常在100 m之內(nèi)，精度可達(dá)到毫米級，所以相位式掃描儀主要用于中等距離的掃描測量系統(tǒng)中。由于帽兒山實習(xí)路線三維數(shù)字化需要較高的精度來虛擬展示植被的紋理細(xì)節(jié)，所以使用相位干涉法進(jìn)行掃描。

2　三維激光掃描儀

目前最具代表性的三維激光掃描儀生產(chǎn)公司有瑞士的Leica公司、美國的Trimble公司和FARO公司。本研究使用Trimble TX5三維激光掃描儀，后期處理采用Trimble RealWorks三維后處理軟件。儀器的具體參數(shù)見表1。

表1Trimble TX5參數(shù)設(shè)置

3　實例研究

本研究的目標(biāo)是在特定季節(jié)將實習(xí)路線完整如實地記錄下來，然后結(jié)合軟件操作將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字虛擬化以供教學(xué)展示使用。使用三維激光掃描技術(shù)記錄林場信息同傳統(tǒng)記錄方式相比有著極大的優(yōu)勢，測繪人員可在不破壞當(dāng)?shù)叵∮兄脖坏那闆r下完成對數(shù)據(jù)的記錄工作，并可根據(jù)對精度的需求自行調(diào)節(jié)工作的效率，降低了對人員配置的需求。帽兒山老爺嶺三維數(shù)字化的具體實驗內(nèi)容包括：

1）準(zhǔn)備工作

首先，根據(jù)項目需求確定老爺嶺實習(xí)路線需要掃描的距離、在掃描路線上需掃描站點的大概位置及數(shù)量、在掃描站點記錄的植被范圍。然后，進(jìn)行詳細(xì)勘查以確定待掃描測站的具體位置和掃描所需標(biāo)靶的安放位置。當(dāng)待測物體體積過大而無法一次性掃描時，掃描所得的數(shù)據(jù)將面臨拼接處理，這就涉及拼接特征點的選取，故為了數(shù)據(jù)拼接的準(zhǔn)確性需要人為地設(shè)置球型標(biāo)靶。之后，架設(shè)三維掃描儀選取合適的參數(shù)配置，結(jié)合掃描站點與站點之間的距離以及每一站所掃描的范圍確定分辨率的大小。由于儀器電源為蓄電池，受電量不可持續(xù)的限制，故選擇中等的分辨率，這樣可以保證整個實習(xí)路徑掃描的效率，并減少后期數(shù)據(jù)處理時的工作量。

2）實習(xí)路線點云數(shù)據(jù)獲取

獲取老爺嶺實習(xí)路線的點云數(shù)據(jù)是項目實施過程中最重要的一環(huán)。獲取高精度、高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)是后續(xù)數(shù)據(jù)處理與實現(xiàn)三維數(shù)字化漫游的基礎(chǔ)。使用Trimble TX5三維激光掃描儀進(jìn)行機(jī)載控制，在測站直接進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的獲取。在獲取樹木點云數(shù)據(jù)前設(shè)置掃描密度為中等，并記錄掃描時對應(yīng)的高清真彩圖像，以便于后續(xù)的數(shù)字化建模工作。掃描實習(xí)路線數(shù)據(jù)的過程大致可分為以下3個步驟：

步驟1配置儀器。主要完成掃描儀的準(zhǔn)備工作，例如安裝電源電池、連接儀器、安放掃描儀、固定掃描儀位置等。準(zhǔn)備工作耗時較少。打開掃描儀后對掃描儀參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括工程文件名、文件保存位置、掃描范圍、分辨率、標(biāo)靶類型等。

步驟2進(jìn)行掃描。在掃描過程中可以查看植被三維數(shù)據(jù)的掃描進(jìn)程，如果出現(xiàn)不清晰、光線變化跨度大等問題則需要及時修正或停止掃描。掃描結(jié)束后檢查獲得的植被數(shù)據(jù)，如果不合規(guī)格則重新進(jìn)行掃描。做好整個掃描進(jìn)程的觀測記錄。

步驟3更換觀測站掃描。結(jié)束當(dāng)前觀測站的掃描后，檢查無誤便可進(jìn)行下一觀測站的掃描任務(wù)，此時重復(fù)前兩個工作步驟。

3）實習(xí)路線點云數(shù)據(jù)處理

采用Trimble RealWorks三維后處理軟件進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的處理。由于實習(xí)路線較長，工作量較大，時間緊張，且精度要求較高，所以使用標(biāo)靶拼接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，可提高數(shù)據(jù)處理的速度與精度。將Trimble TX5三維激光掃描儀獲得的帽兒山實習(xí)路線點云數(shù)據(jù)連接Trimble RealWorks后期處理軟件可見，記錄的點云數(shù)據(jù)形式是黑白色的點云圖像（如圖1（a））。將局部放大看到的則是眾多的點組成的圖像，見圖1（b）。從圖中可以清楚地看到植被的葉片形狀和樹木的枝干細(xì)節(jié)。

圖1　帽兒山實習(xí)路線點云圖像

三維激光掃描儀在掃描過程中會實時地記錄所掃數(shù)據(jù)的高清圖片，然后將高清圖片上的色彩信息映射到激光點云數(shù)據(jù)上得到和實物相一致的三維模型（見圖1（c），（d）），并且可以對模型進(jìn)行隨意的旋轉(zhuǎn)和放大，觀察植被的紋理細(xì)節(jié)。

三維點云數(shù)據(jù)的處理大致可以分成兩個方面：

①數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與優(yōu)化。數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)主要是將點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，并進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的拼接。坐標(biāo)糾正時，通常先使用配對方式進(jìn)行兩幅圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后在全局范圍內(nèi)將多個測站的點云數(shù)據(jù)和標(biāo)靶點進(jìn)行組合，最后將整個點云圖坐標(biāo)糾正到測站所在的真實地理坐標(biāo)上，完成實際坐標(biāo)配準(zhǔn)［13］。

②點云數(shù)據(jù)拼接分為3個步驟：首先是標(biāo)靶拼接，將掃描區(qū)域的多個標(biāo)靶ID精確對應(yīng)進(jìn)行拼接；然后是點云拼接，保證點云拼接時有足夠的點云公共部分，并保證公共部分的質(zhì)量，在重疊的部分找到共用的點，一一對應(yīng)，完成拼接；最后是控制點的拼接，使用全站儀或GPS技術(shù)對公共區(qū)域的控制點大地坐標(biāo)進(jìn)行記錄，之后采用和標(biāo)靶拼接類似的方式對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，進(jìn)而將所有點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到工程實際坐標(biāo)系中［14-18］。從圖2可以看到一些白色的圓形斑點，這些斑點就是實際實習(xí)路線點云掃描時標(biāo)靶的放置位置。

圖2　實際實習(xí)路線點云掃描時標(biāo)靶的放置位置

通過標(biāo)靶位置進(jìn)行圖像的處理可得到清晰、高精度的模型信息。由于是站點之間的點云數(shù)據(jù)拼接，在進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接時也會留下一定的誤差信息，如圖3（a）所示的拼接縫隙對拼接處的植被細(xì)節(jié)就會產(chǎn)生影響。在掃描點云數(shù)據(jù)時，由于天氣的原因也會造成站與站之間點云數(shù)據(jù)光線分布不均勻等問題，進(jìn)而影響拼接效果，如圖3（b）所示。

圖3　拼接縫隙對拼接處的植被細(xì)節(jié)影響

圖3（b）中黃色的三角形點是每一次點云數(shù)據(jù)獲取時的測站位置，雙擊黃色測站點可進(jìn)行測站之間的轉(zhuǎn)換。Realworks使用網(wǎng)頁瀏覽器進(jìn)行操作，可在網(wǎng)頁上實現(xiàn)虛擬漫游。

4）三維數(shù)字化模型研究

三維數(shù)據(jù)不僅可在計算機(jī)上虛擬展示，還可將實驗人員掃描的運(yùn)動過程虛擬化，制作成虛擬漫游展示的視頻。例如圖4就是帽兒山實習(xí)路線虛擬漫游的視頻截圖。

圖4　帽兒山實習(xí)路線虛擬漫游視頻截圖

4　結(jié)束語

目前三維激光掃描技術(shù)在林業(yè)應(yīng)用方面還處于探索階段。將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于帽兒山老爺嶺實習(xí)路線，數(shù)字化整個實習(xí)路線，在實習(xí)教學(xué)中實現(xiàn)了虛擬漫游，提高了學(xué)生在實地考察時的學(xué)習(xí)效率。通過對實驗的不斷完善可達(dá)到取代野外實習(xí)的目的，不僅提高了效率，而且保護(hù)了實習(xí)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。

實驗中陽光不定時的變化、自然風(fēng)力的影響、點云拼接時所產(chǎn)生的拼接縫隙等問題限制了三維激光掃描技術(shù)在林業(yè)方面的應(yīng)用，這些都是后續(xù)研究需要解決的問題。

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（責(zé)任編輯楊黎麗）

Three-Dimensional Digitizing of Field Practice Route at Maoershan Laoyeling

SU Jian-min，LIU Ren-shuo，GAO Hui，GUO Yong-shuang，QIU Zhao-wen
（College of Information and Computer Science，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Using the three dimensional（3D）digital technology to scan field practice route of Maoershan Laoyeling，we got the 3D point cloud data.Then we digitized the practice route point cloud data and realized virtual roaming of the practice path.Instead of traditional method of field practice，we obtained good teaching effect.Research shows that the 3D digital technology has a pretty good effect on simulation of forestry information and can bring very good application foreground for scientific research and education practice.

three dimensional scanning；digitization；point cloud；virtual roaming

TP273

A

1674-8425（2015）04-0073-04

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.014

2015-02-06

黑龍江省留學(xué)歸國人員基金資助項目（LC2012C06）

蘇健民（1960—），男，教授，主要從事自動控制、信號與信息處理、三維數(shù)字化研究；通訊作者邱兆文（1974—），博士，副教授，主要從事信息檢索、機(jī)器學(xué)習(xí)、三維數(shù)字化研究。

蘇健民，劉人碩，高輝，等.帽兒山老爺嶺野外實習(xí)路線的三維數(shù)字化［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（4）：73-76.

format：SU Jian-min，LIU Ren-shuo，GAO Hui，et al.Three-Dimensional Digitizing of Field Practice Route at Maoershan Laoyeling［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：73-76.