三維激光掃描課程的三維建模實驗教學(xué)方法研究

李峰 孫廣通 錢安 王秋玲

摘 要：三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)開始大量應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域，但作為新興課程剛在各高校中開展教學(xué)活動，為了更好地服務(wù)于三維激光掃描課程的理論教學(xué)活動，本文從三維激光掃描儀參數(shù)設(shè)置和操作方法開始介紹了激光掃描點云采集實驗、激光點云配準(zhǔn)方法，著重論述了激光點云的復(fù)雜曲面和建筑物實體三維建模的實驗方法，這些實驗教學(xué)方案的實施有利促進(jìn)了測繪工程專業(yè)本科生的綜合實踐操作技能的提升。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；三維建模；實驗教學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.217

0 引言

《三維激光掃描》課程是針對精細(xì)三維模型在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、房產(chǎn)管理、文物保護(hù)等領(lǐng)域中的重要用途而開設(shè)[1]，但是目前使用地面三維激光掃描儀采集海量激光點云進(jìn)行自動建模的方法尚不成熟，因為激光點云以三維離散點的方式在空間分布，所以直接通過二維繪圖的方法繪制點云實體模型會產(chǎn)生嚴(yán)重的位置偏差。作為新興課程其理論發(fā)展緩慢，多以上機實驗掌握激光點云的建模方法為主[2]。針對規(guī)則實體的建筑物建模一般選用3dsMax、Microstation、AutoCAD、Sketchup等軟件實現(xiàn)，而對具有曲面分布點云的建模一般通過構(gòu)建三角網(wǎng)的方式來完成，在激光點云曲面建模方面Geomagic Wrap軟件功能強大，編輯靈活，操作方便，在實際實驗課上應(yīng)用最多。針對《三維激光掃描》課程中實驗實施內(nèi)容和過程中存在的問題，本文著重介紹激光點云的數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜曲面實體和建筑物建模的教學(xué)方法，為該課程的建設(shè)提供參考實例。

1 激光點云數(shù)據(jù)的采集實驗

地面三維激光掃描儀與傳統(tǒng)的測繪儀器（如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀）在外形、原理和操作方法上有較大的差異，但該儀器起源于傳統(tǒng)的測繪儀器（如免棱鏡的全站儀），因此，在進(jìn)行激光掃描實驗之前，教師有必要向測繪工程專業(yè)學(xué)生說明地面三維激光掃描儀的工作原理、數(shù)據(jù)采集的模式以及與傳統(tǒng)測繪儀器的異同點。在此基礎(chǔ)上，向?qū)W生介紹地面激光掃描儀的架站方法、對中整平方法、單反相機安置方式、電纜和電池的安裝方法等基本部件的組裝方法，激光掃描儀的長距和高速掃描模式的選擇方法、激光點云密度的設(shè)置方法、單反相機的曝光模式（如光圈、曝光速度）、拍攝相片的重疊度；向?qū)W生講解使用電纜或無線WiFi連接掃描儀與筆記本電腦的方法、不使用筆記本電腦直接采用激光掃描儀的方法；向?qū)W生說明掃描過程中的一些注意事項，如不要觸碰三腳架、不要遮擋到所采集地物的激光掃描儀和相機的視場角、不要長時間用眼睛注視掃描儀發(fā)射的激光等，還有如何布設(shè)強反射標(biāo)準(zhǔn)板的方法；激光掃描完成后，向?qū)W生演示如何下載存儲激光點云和拍攝的RGB影像數(shù)據(jù)以及如何導(dǎo)入到激光掃描儀的后處理軟件中。一般情況下，一臺地面激光掃描儀的價格高達(dá)1百萬元，因此實驗室購置的地面激光掃描儀的數(shù)量通常不能滿足一個教學(xué)班的教學(xué)需求，實驗課上一般由教師進(jìn)行演示操作，需要學(xué)生實驗小組在課余時間分批次地借激光掃描儀進(jìn)行操作訓(xùn)練。

采集地物的過程中往往需要采集多站激光點云數(shù)據(jù)，然后配準(zhǔn)多站激光點云成為一個全面整體的實體數(shù)據(jù)，這個過程需要完成激光點云的粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)2步操作[3]，下面以Riegl Riscan軟件4站激光點云為例進(jìn)行說明。在粗配準(zhǔn)操作中，以第1掃描站為基準(zhǔn)站點，使用Riscan Pro軟件的粗配準(zhǔn)功能在相鄰2站之間選擇4對強反射標(biāo)志的圓心位置作為同名特征點對，經(jīng)過平移和旋轉(zhuǎn)后將另一站激光點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到第1站上，同理可依次將第3、4站分別配準(zhǔn)到第2、3站上，從而完成激光點云數(shù)據(jù)的粗配準(zhǔn)工作。在精配準(zhǔn)操作中，利用迭代最鄰近（Iterative Closest Point， ICP）算法在站點對應(yīng)點云中搜尋最鄰近的同名點，根據(jù)最鄰近點解求剛體變換的旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)，這里仍然設(shè)置第1站為基準(zhǔn)站，保持其位置和角度固定，只需要旋轉(zhuǎn)平移其余3站激光點云即可，通過最鄰近點對的不斷搜索和變換參數(shù)的迭代計算完成點云的精配準(zhǔn)過程，各點云精配準(zhǔn)的相對誤差控制在毫米精度以內(nèi)。將精配準(zhǔn)后的完整點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為*.wrl或*.las格式，然后導(dǎo)入到Geomagic Wrap軟件或Microstation V8i中顯示。

2 激光點云復(fù)雜曲面實體的建模實驗

不同的掃描對象對應(yīng)不同的三維建模方法，對于復(fù)雜的曲面實體可采用Geomagic Wrap軟件進(jìn)行三角網(wǎng)建模[4]。由于激光全景掃描過程中掃入了大量不需要的地物，因此首先需要對導(dǎo)入的激光點云進(jìn)行裁剪操作得到大石頭的激光點云，為增強點云顯示效果對點云進(jìn)行著色。教師通過上傳實驗的視頻、操作指導(dǎo)書到網(wǎng)絡(luò)課程資源平臺，先由學(xué)生課下預(yù)習(xí)，然后教師課上演示建模過程。具體需要演示的建模過程如下：1）通過“體外孤點”和“非連接項”刪除噪聲激光點云，對于少量點云空洞區(qū)域，利用“填充孔”功能添加少量激光點。2）使用“棱柱形（保守）”工具減少點云噪聲，使用“曲率采樣”的方式重采樣激光點。3）生成三角網(wǎng)后，仍需要“填充孔”工具修補模型孔洞，采用“去除特征”、“刪除釘狀物”和“砂紙”工具平滑對象表面，采用“網(wǎng)格醫(yī)生”命令修復(fù)多邊形缺陷，使用“用平面裁剪”和“伸出邊界”工具制作底部平臺。4）根據(jù)“紋理貼圖”功能，生成“生成紋理貼圖”，為對象的對應(yīng)各個側(cè)面和頂面映射紋理圖像，其中紋理圖像需要提前在Photoshop軟件中進(jìn)行斜切、圖像增強等編輯操作。

3 激光點云三維建筑物建模實驗

針對規(guī)則建筑物實體的建模方法，應(yīng)采用傳統(tǒng)的建筑類設(shè)計和規(guī)劃軟件比較適合，本文選擇Microstation軟件進(jìn)行建模實驗，該軟件具有二三維設(shè)計和激光點云導(dǎo)入功能，操作簡便，易于上手，適合本科生練習(xí)使用。首先，設(shè)計10個學(xué)時的時間教授該軟件的二維對象繪圖、三維位置精確繪圖、輔助坐標(biāo)系、三維對象的精確繪圖、三維模型的高級編輯功能，促使學(xué)生掌握該軟件的基本繪圖、編輯和三維建模功能，以此為基礎(chǔ)，再花費4個學(xué)時的時間講解激光點云的三維建模方法，重點教授激光點云特征點捕捉方法、激光點云建筑物輪廓線繪制方法、輔助坐標(biāo)系在點云繪圖中的應(yīng)用、三維模型紋理映射、光照設(shè)置、渲染設(shè)置等操作方法，通過幾個三維模型繪制的實例將學(xué)生傳統(tǒng)的二維繪圖視野轉(zhuǎn)換到三維空間世界，這些實驗需要保證學(xué)生擁有充足的時間消化理解三維建筑物建模的原理和方法。

4 結(jié)束語

地面三維激光掃描儀作為測繪新技術(shù)已經(jīng)在測繪相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，該課程教學(xué)活動已在高等學(xué)校中開展，通過介紹激光掃

描儀的采集方法，闡述基于激光點云的復(fù)雜實體曲面建模實驗實施方案，簡介了基于激光點云的三維建筑物建模實驗過程，豐富了三維激光掃描課程的三維建模實驗教學(xué)內(nèi)容，提高了實驗教學(xué)的水平，增強了測繪工程專業(yè)本科生的實踐操作技能，為三維激光掃描課程的教學(xué)提供了實驗教學(xué)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]曲相屹，王偉，孫曉東等.三維激光掃描技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（22）：99.

[2]李峰，劉小陽，孫廣通等.三維激光掃描課程的教學(xué)實踐探索[J]. 科技視界，2017（16）：60+66.

[3]陳茂霖，盧維欣，萬幼川等.無附加信息的地面激光點云自動拼接方法[J].中國激光，2016（04）：212-220.

[4]李曉雙，宋彬，鄭丹.基于Geomagic的復(fù)雜實體三維點云建模研究[J].測繪與空間地理信息，2017（06）：130-132.

基金項目：防災(zāi)科技學(xué)院精品建設(shè)課程項目（JPJS2018007）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費創(chuàng)新團(tuán)隊計劃項目（ZY20160102）

作者簡介：李峰（1979-），男，副教授，博士，研究方向：激光點云處理、遙感。