淺議三維激光掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理重要性

摘要：三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域，繼 GPS 技術(shù)之后誕生的又一次技術(shù)革命，又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)[1]。具有快速，非接觸式， 實(shí)時(shí)、 動(dòng)態(tài)、 主動(dòng)性， 高密度、 高精度， 數(shù)字化、 自動(dòng)化等其他功能[2]，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。本文擬通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)在隧道施工應(yīng)用中的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理過(guò)程進(jìn)行闡述，進(jìn)而說(shuō)明此過(guò)程對(duì)后續(xù)三維影像模型生成的重要影響。

關(guān)建詞：激光掃描 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：? TP391.4??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1、引言

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、電源以及附屬設(shè)備組成。它的工作原理是：利用三維激光掃描儀對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行掃描，通過(guò)測(cè)得三維掃描儀中心到目標(biāo)點(diǎn)的斜距、激光束水平方向偏轉(zhuǎn)角和激光束豎直方向偏轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)，然后與全站儀測(cè)得測(cè)量坐標(biāo)系下的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到各激光點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。測(cè)量過(guò)程中受到儀器本身和外界條件的影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)包含大量無(wú)效冗余數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)后期被測(cè)物體的建模產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以必須要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[3]。

2、三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

2.1掃描儀設(shè)站

三維激光掃描儀據(jù)設(shè)站方式不同有兩種類型，一種類型的三維激光掃描儀可以任意點(diǎn)自由設(shè)站，然后通過(guò)掃描2個(gè)或以上經(jīng)全站儀測(cè)得坐標(biāo)的球棱鏡進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

自由設(shè)站掃描時(shí)，每一測(cè)站至少要掃描2個(gè)或以上的標(biāo)靶，相鄰測(cè)站掃描時(shí)宜保持上一測(cè)站標(biāo)靶固定不動(dòng)，標(biāo)靶至掃描儀的距離不宜超過(guò)相鄰測(cè)站間距的一半，標(biāo)靶的坐標(biāo)可以在掃描前或掃描后用全站儀測(cè)量獲取。

另外一種類型的三維激光掃描儀具有類似于全站儀設(shè)站的功能，可以在已知測(cè)量控制點(diǎn)上置鏡，通過(guò)掃描另外一個(gè)安置在已知控制點(diǎn)上的標(biāo)靶球進(jìn)行設(shè)站，如圖2所示。

已知點(diǎn)設(shè)站掃描時(shí)，掃描儀與后視棱鏡之間的距離應(yīng)在掃描儀的最佳測(cè)程之內(nèi)，并且后視棱鏡成像清晰。

2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

外業(yè)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)是三維建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在采集過(guò)程中，要依據(jù)操作流程嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)采集規(guī)范進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集流程包括點(diǎn)位控制測(cè)量、掃描測(cè)站布設(shè)、球形標(biāo)靶布測(cè)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描采集、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查分析、 數(shù)據(jù)導(dǎo)出備份等環(huán)節(jié)。

選擇掃描儀設(shè)站位置，根據(jù)掃描儀類別，采用自由設(shè)站或已知點(diǎn)設(shè)站方式架設(shè)掃描儀，自由設(shè)站式掃描儀需要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置2個(gè)或以上標(biāo)靶球，為提高掃描精度，宜采用全站儀測(cè)量出每測(cè)站掃描的標(biāo)靶球中心坐標(biāo)，以提高隧道點(diǎn)云拼接精度，減小拼接誤差積累。架設(shè)好掃描儀后，設(shè)置掃描范圍、掃描密度、拍照參數(shù)，然后進(jìn)行自動(dòng)掃描，隧道內(nèi)測(cè)站間距一般不超過(guò)30m，每測(cè)站掃描時(shí)間大約3分鐘。

為保證掃描結(jié)果的精確性，三維激光掃描工作時(shí)應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)排煙，確保洞內(nèi)無(wú)施工干擾，掃描范圍內(nèi)不得有施工人員、機(jī)械行走，防止遮擋掃描視線。

3、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

三維激光點(diǎn)云在采集過(guò)程中由于受到包括儀器本身接收信號(hào)的誤差、空氣質(zhì)量、外界施工干擾等多種因素的影響，采集的點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)不能全部直接用于隧道三維模型建立和數(shù)據(jù)分析使用，為了保證后期的三維模型構(gòu)建的效果及精度，在獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要使用一些濾波算法過(guò)濾掉現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)背景等遮擋物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和離散點(diǎn)，保留目標(biāo)物的主點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這過(guò)程稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理[4]點(diǎn)云預(yù)處理工作主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云裁剪、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云重采樣等幾個(gè)方面。

3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，也稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。三維激光掃描儀掃描隧道采集得到的點(diǎn)云都是以帶狀形式分布，每一次掃描通常由多個(gè)測(cè)站完成且每個(gè)測(cè)站都有它獨(dú)立的坐標(biāo)系，為使掃描成果獲得統(tǒng)一測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)及后續(xù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析、使用，需將多段點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加、拼接才能完整呈現(xiàn)出掃描目標(biāo)的整體效果。點(diǎn)云的拼接方式一般采用以下幾種方式：

（1）通過(guò)標(biāo)靶進(jìn)行拼接，作業(yè)時(shí)在相鄰測(cè)站間布設(shè)兩個(gè)及以上的標(biāo)靶，利用同名標(biāo)靶特征將相鄰測(cè)站拼接在一起，自由設(shè)站式掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接就采用此種拼接形式。

（2）通過(guò)各測(cè)站在工程施工坐標(biāo)系內(nèi)的已知控制點(diǎn)進(jìn)行定位，將各個(gè)測(cè)站點(diǎn)云拼接成一個(gè)整體，已知點(diǎn)設(shè)站式掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接通常應(yīng)用此形式。

（3）如果作業(yè)環(huán)境中有明顯可識(shí)別的特征點(diǎn)，可在相鄰測(cè)站重復(fù)區(qū)域的點(diǎn)云中分別選擇3個(gè)以上同名點(diǎn)進(jìn)行拼接。

（4）基于視圖同名空間特征進(jìn)行自動(dòng)拼接。以某一個(gè)測(cè)站點(diǎn)云為基準(zhǔn)，將相鄰測(cè)站點(diǎn)云分別進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、升降，將兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)云里的同名空間特征進(jìn)行匹配。

3.2點(diǎn)云裁剪

點(diǎn)云裁剪就是在點(diǎn)云滿足精度條件的前提下，對(duì)部分重復(fù)區(qū)域、基本無(wú)用數(shù)據(jù)通過(guò)處理減少其數(shù)據(jù)量，只保留精度可靠、符合使用要求的有限范圍內(nèi)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)提取其有效信息，以達(dá)到提高數(shù)據(jù)處理運(yùn)算速度、 三維建模效率以及模型必要精度的目的。隧道掃描后裁剪前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示，裁剪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

3.3、點(diǎn)云去噪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差的主要來(lái)源有被掃描對(duì)象表面因素產(chǎn)生的誤差、偶然噪聲點(diǎn)、測(cè)量系統(tǒng)本 身誤差等[5]，受其影響點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)中含有各種形式的噪聲點(diǎn)造成掃描數(shù)據(jù)不能正常、準(zhǔn)確反映掃描目標(biāo)的空間形態(tài)。隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不同噪聲點(diǎn)主要有：

（1）隧道內(nèi)部空間中粉塵引起的飄移點(diǎn);

（2）遠(yuǎn)離隧道壁的非目標(biāo)對(duì)象點(diǎn)，如管線、支架、凹槽點(diǎn)云等;

（3）超出預(yù)定掃描范圍的冗余點(diǎn)，如有效掃描距離以外的點(diǎn)云。

內(nèi)部空間粉塵產(chǎn)生的飄移點(diǎn)，可通過(guò)濾波的方法去除，高斯濾波算法對(duì)此類噪聲的過(guò)濾效果較好;對(duì)于非目標(biāo)對(duì)象點(diǎn)云，可以采用排除法予以剔除，即通過(guò)點(diǎn)云聚類方法對(duì)隧道壁進(jìn)行聚類，隧道壁以外的點(diǎn)云即為需要剔除的數(shù)據(jù);超出預(yù)定掃描范圍的冗余點(diǎn)可以通過(guò)點(diǎn)云裁剪去除。隧道洞內(nèi)三維激光掃描點(diǎn)云去噪前如圖3所示，點(diǎn)云明顯存在施工人員、設(shè)備等噪聲點(diǎn)，點(diǎn)云去噪后效果如圖4所示。

3.4、點(diǎn)云重采樣

隧道三維激光掃描獲取的原始點(diǎn)云密度是非常大的，每平方米可以達(dá)到幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，但在隧道點(diǎn)云預(yù)處理的過(guò)程中，并不需要如此高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)隧道模型。過(guò)高密度的點(diǎn)云不僅影像計(jì)算效率，而且占用大量存儲(chǔ)空間。隧道超欠挖的計(jì)算中，需要對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行重采樣，以提高數(shù)據(jù)的操作運(yùn)算速度、 建模效率以及模型精度[6]。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重采樣的抽稀方法有隨機(jī)采樣、點(diǎn)間距采樣和八叉樹采樣等方法。隧道三維激光掃描點(diǎn)云抽稀前點(diǎn)間隔為0.02m，如圖5所示，按點(diǎn)間距0.1m進(jìn)行重采樣后結(jié)果如圖6所示。

結(jié)語(yǔ)：三維激光掃描技術(shù)通過(guò)掃描采集得到被測(cè)物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合隧道各里程斷面掃描成果可建立三維影像模型，使隧道各施工環(huán)節(jié)場(chǎng)景重新直觀再現(xiàn)。利用此模型和后處理軟件各項(xiàng)輔助功能實(shí)現(xiàn)了隧道開挖、初期支護(hù)、二襯施工等作業(yè)環(huán)節(jié)的超欠挖計(jì)算、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)、工程質(zhì)量檢查及變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，各項(xiàng)成果較過(guò)去傳統(tǒng)手段更加容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)預(yù)處理一方面為模型重建提供了精確可靠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其次通過(guò)拼接及裁剪環(huán)節(jié)降低了模型重建復(fù)雜程度，另外經(jīng)去噪和數(shù)據(jù)重采樣有效提高了模型重構(gòu)的精度和速度，為三維激光掃描技術(shù)在隧道施工方面更廣闊的應(yīng)用創(chuàng)造了可能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋培焱1* ，楊志敏2三維激光掃描技術(shù)在陡峭山體土石方量計(jì)算中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2019（2）： 63-65.

[2] 崔紅超 劉仁釗 馬 嘯，基于三維激光掃描技術(shù)數(shù)字校園點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理[J].經(jīng)緯天地，2019（04） ： 40-41+46.

[3] 程俊廷1 郭博洋1 盧建軍2海量三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（11） ： 189-190.

[4] 唐 雯1，2，基于三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理及模型重建[J].山西建，2018，44（02） ： 209-210.

[5]苗亞哲1，2，李勝波1，鄧安仲2，樂(lè)觀2，戴作球1，三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在既有地下人防工程 BIM 模型重建中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通，2019（06） ：：100-104.

[6]楊明珠，董燕.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及建模研究[J].價(jià)值工程，2017，36（12） ： 117-119.

作者簡(jiǎn)介：馬自軍（1971-），男，漢族，寧夏中衛(wèi)人，大學(xué)本科，高級(jí)講師。主要研究方向：工程測(cè)量及無(wú)人機(jī)、激光掃描儀等設(shè)備應(yīng)用。 單位地址：蘭州市西津西路511號(hào)