點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理的研究

劉 煜 焦明連

（江蘇海洋大學(xué)，江蘇 連云港 222000）

0 引言

三維激光掃描技術(shù)的研究始于20 世紀(jì)80 年代，國(guó)內(nèi)在20 世紀(jì)90 年代也開始了對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究。我國(guó)在863計(jì)劃當(dāng)中重點(diǎn)支持三維激光掃描技術(shù)的研究，至此掀起了三維激光研究的熱潮，研究成果豐碩，極大地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

地面三維激光掃描技術(shù)以激光測(cè)距原理為基礎(chǔ)，將發(fā)射的激光光束投射到待測(cè)目標(biāo)物體表面，再根據(jù)激光反射到機(jī)器站點(diǎn)的時(shí)間，就可以快捷、精確地獲取測(cè)站與物體表面之間的距離。該種方法獲取的數(shù)據(jù)以海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式保留，測(cè)距范圍在1 000 m 以內(nèi)，采樣精度可達(dá)毫米級(jí)，可以滿足絕大部分的變形監(jiān)測(cè)、斷面與體積獲取、地形圖繪制、古建筑與文物保護(hù)、各類工民建工程的精度需要。這種測(cè)量技術(shù)有著傳統(tǒng)接觸式測(cè)量無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其是體現(xiàn)在古建筑和古文物的保護(hù)上，不僅有效地減少了工作人員對(duì)待測(cè)物體的接觸和非人為的破壞，還可以通過(guò)三維建模的方式，將待測(cè)物體表面的外部輪廓的重要信息以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式永久保存，便于后期查閱科研的需要。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大致有以下4 個(gè)特點(diǎn)。1）數(shù)據(jù)的龐雜性。這是由三維激光掃描的技術(shù)特點(diǎn)決定的，它可以以每秒百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的速度獲取物體表面的輪廓信息，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2）數(shù)據(jù)的衍生性。點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含了距離信息，同時(shí)也記錄了對(duì)象表面的三維坐標(biāo)信息，對(duì)象的反射率、反射強(qiáng)度、點(diǎn)到掃描儀中心的距離、水平角、垂直角以及偏差值等信息，這些信息被稱為地面激光點(diǎn)云的衍生信息，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中常常被忽略。3）數(shù)據(jù)的噪聲性。點(diǎn)云數(shù)據(jù)同傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量、全站儀測(cè)量一樣，都是具有誤差的，這主要取決于儀器、環(huán)境、人等多方面因素，噪聲的多少對(duì)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作都有著基礎(chǔ)性作用。4）數(shù)據(jù)的一次性。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取基本單位都是由測(cè)站點(diǎn)的個(gè)數(shù)決定的，假如一個(gè)測(cè)站掃描出現(xiàn)偏差，那么就需要重新掃描，每一個(gè)獨(dú)立的掃描點(diǎn)都是單一時(shí)刻的信息。

該文所要探討的核心是如何提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)精度，并對(duì)其數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行介紹。

2 多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

2.1 多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集流程

只有科學(xué)合理地安排點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集工作，才能高效地完成各項(xiàng)具體任務(wù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集流程具體可分為8個(gè)步驟，流程圖如圖1 所示。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集流程

2.2 外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在三維掃描儀的掃描過(guò)程中，影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的因素來(lái)自多個(gè)方面，主要有掃描距離、物體表面材質(zhì)、控制網(wǎng)、標(biāo)靶測(cè)量精度、光斑大小、掃描點(diǎn)間距、全反射物質(zhì)、外界環(huán)境等。上述所有因素都對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生巨大影響，因此，我們必須采取切實(shí)有效地措施來(lái)降低外界干擾。具體有以下5 個(gè)措施[4]。1）適當(dāng)縮短掃描儀測(cè)站與低反射率的待測(cè)目標(biāo)物體之間的距離。2）儀器站點(diǎn)面對(duì)物體時(shí)，盡量減小發(fā)射和接受光束的張角。3）合理安排外業(yè)工作時(shí)間，避開惡劣天氣和高溫/低溫時(shí)段。4）選擇2"或2"以上的全站儀進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)，標(biāo)靶測(cè)量采用免棱鏡方式測(cè)量。5）平面與高程控制網(wǎng)的平差優(yōu)先選擇整網(wǎng)平差的計(jì)算方法。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是整個(gè)地面三維激光掃描技術(shù)是否可以將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵，也是后期三維建模、三維可視化的重要工作。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)術(shù)專家學(xué)者在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面投入了大量的時(shí)間、心血，可以說(shuō)研究成果也是相當(dāng)豐碩的。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理大致包含了數(shù)據(jù)初步規(guī)整、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)壓縮和數(shù)據(jù)的光順去噪等步驟。

3.1 數(shù)據(jù)初步規(guī)整

面對(duì)海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如果我們只去求得單個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)的具體數(shù)值，幾乎是沒(méi)有意義的，因?yàn)樗荒艽砘虿荒荏w現(xiàn)出物體表面的任何信息。假如我們?nèi)糠治雒總€(gè)點(diǎn)，工作量非常大，并且必然存在大量的噪聲，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以在面對(duì)海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，我們更應(yīng)該研究它的整體性，比如曲率、法線向量等信息，這樣更有助于我們分析真實(shí)的物體信息。

一般來(lái)說(shuō)，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)所占的空間相當(dāng)巨大。這對(duì)計(jì)算機(jī)的讀取和存儲(chǔ)的要求就很高。從讀取的角度上看，目前較為常見(jiàn)的存儲(chǔ)格式有ASCII 格式和二進(jìn)制格式2 種。ASCII 格式的優(yōu)點(diǎn)是通俗易懂，缺點(diǎn)是占用空間較大。二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)量小，保密性強(qiáng)，缺點(diǎn)是不易于數(shù)據(jù)傳輸以及與各平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。目前點(diǎn)云數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)形式劃分較為固定，主要有均勻網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、k-d 樹結(jié)構(gòu)和八叉樹結(jié)構(gòu)等。均勻網(wǎng)格結(jié)構(gòu)較為機(jī)械，脫離了數(shù)據(jù)的自身特點(diǎn)，且占用空間較大。k-d 樹結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是的特點(diǎn)建立，但隨著數(shù)據(jù)量的增加，其結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)也隨之增加。八叉樹結(jié)構(gòu)結(jié)合了上述2 種方法的優(yōu)勢(shì)，并且可以自主添加和去除數(shù)據(jù)[5]。

3.2 數(shù)據(jù)拼接

所謂數(shù)據(jù)拼接，其含義就是將不同視點(diǎn)和坐標(biāo)系中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到固定的坐標(biāo)系中的過(guò)程。數(shù)據(jù)要拼接的根本原因是由于被測(cè)物體不能由一個(gè)測(cè)站一次性全部掃描完成，要設(shè)立多個(gè)站點(diǎn)才能全方位的采集物體表面的全部信息。針對(duì)多站激光點(diǎn)云拼接技術(shù)的研究一直是地面三維激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理的研究熱點(diǎn)，其中高精度與自動(dòng)化是研究的重點(diǎn)。

在實(shí)際的工程中，常用的坐標(biāo)系統(tǒng)有掃描儀自身坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系以及項(xiàng)目坐標(biāo)系。常用的拼接方法可以簡(jiǎn)單地分為粗拼接和精拼接2 種，其精拼接過(guò)程是數(shù)據(jù)拼接的重點(diǎn)與難點(diǎn)所在。粗拼接過(guò)程所解決的問(wèn)題是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)所在的不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中去，為精拼接提供一個(gè)良好的初始值[2]，趙夫群[3]提出的配準(zhǔn)算法是先估算點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面法矢，計(jì)算出各點(diǎn)的曲率，根據(jù)曲率匹配點(diǎn)對(duì)集合，采用幾何哈希方法計(jì)算三維空間變換，實(shí)現(xiàn)粗配準(zhǔn)。李鵬等人[6]提出了三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)虛擬特征點(diǎn)擬合算法，根據(jù)實(shí)際特征點(diǎn)擬合生成虛擬特征點(diǎn)，此算法可以擬合出因設(shè)備及操作方法等原因而未采集到的角點(diǎn)數(shù)據(jù)，減少了處理數(shù)據(jù)量，可以獲取更精確的初始配準(zhǔn)變換參數(shù)。精拼接最經(jīng)典也是最常用的方法就是ICP（迭代最近點(diǎn)）算法，該方法源于圖像配準(zhǔn)中，目前廣泛應(yīng)用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接中。劉舜等人[8]簡(jiǎn)化了ICP算法，將特征點(diǎn)集設(shè)定為3 個(gè)及以上的參考標(biāo)志點(diǎn)，并匹配參考標(biāo)志點(diǎn)，用最小二乘法求解。但I(xiàn)CP 算法也存在一些不足，首先，計(jì)算的同名點(diǎn)對(duì)鄰域最小值必是全局最小值。其次，從計(jì)算代價(jià)方面來(lái)看耗時(shí)較多，因?yàn)镮CP 算法不僅需要通過(guò)迭代運(yùn)算求最小值，而且需用搜索算法找到一個(gè)點(diǎn)集里每個(gè)點(diǎn)在另一個(gè)點(diǎn)集里對(duì)應(yīng)的點(diǎn)[9]。所以未來(lái)對(duì)于ICP 算法的改進(jìn)還是研究的熱點(diǎn)。值得一提的是在李建，王宗敏等人[1]在數(shù)據(jù)拼接方面提出了具有創(chuàng)新意義的基于強(qiáng)度信息的2D-3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)高精度全自動(dòng)拼接方法。該方法基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的衍生信息這一概念，通過(guò)三次樣條插值算法，先生成二維影像，采用基于GPU 的加速尺度不變特征變換（SIFT）算子匹配得到二維同名特征點(diǎn)，然后剔除粗差，反算得到特征點(diǎn)在三維點(diǎn)云中的坐標(biāo)，最后通過(guò)三維空間法向量對(duì)三維同名特征點(diǎn)進(jìn)行精煉[10]。

3.3 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)壓縮

由于激光掃描儀器掃描頻率高、時(shí)間間隔短、掃描范圍大，導(dǎo)致其得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，面對(duì)如此海量的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)與讀取都成為很難突破的技術(shù)難點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，如果要對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行必要地分析與提取就更難了。因此，要想解決此類問(wèn)題，就必須要保證物體幾何特征和數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)壓縮的點(diǎn)云類型包括散亂的點(diǎn)云、掃描線式點(diǎn)云、網(wǎng)格化點(diǎn)云、多邊形點(diǎn)云[7]。目前能夠較好權(quán)衡矛盾雙方的方法是曲率采樣法。

曲率采樣法適用于散亂的點(diǎn)云，其原則是小曲率區(qū)域保留少量的點(diǎn)，而大曲率區(qū)域則保留足夠多的點(diǎn)，以此來(lái)精確完整地表示曲面特征。這是一種根據(jù)物體的幾何特征對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)的方法。此類方法能比較準(zhǔn)確地保持曲面特征并有效減少數(shù)據(jù)點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)處理效率。

3.4 數(shù)據(jù)光順去噪

激光掃描設(shè)備采集數(shù)據(jù)時(shí)，不可避免地會(huì)存在遮擋、光線不充足，角度偏大或偏小，儀器誤差的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致誤差點(diǎn)甚至是錯(cuò)誤點(diǎn)的出現(xiàn)。這些誤差點(diǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)如果出現(xiàn)明顯偏差，比如偏離物體表面輪廓，一般可以通過(guò)人工手動(dòng)刪減的方式輕松去除，但如果這些點(diǎn)隨機(jī)出現(xiàn)在物體輪廓內(nèi)部，處理起來(lái)就比較復(fù)雜了，必須通過(guò)特定算法去除。發(fā)生此類情況的原因主要與物體表面材質(zhì)、光滑程度，激光光束入射角有關(guān)。如果機(jī)械地去除此類存在細(xì)小誤差的點(diǎn)，很容易導(dǎo)致物體表面出現(xiàn)大面積空洞的情況。目前點(diǎn)云數(shù)據(jù)光順去噪的方法一般都來(lái)自圖像處理領(lǐng)域，根據(jù)算法應(yīng)用的最初對(duì)象可以分為點(diǎn)云三角網(wǎng)化數(shù)據(jù)[5]和直接針對(duì)散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)2 種類型。光順去噪所起到的作用更多的是在同一層面上，但去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量還是很大，還需要進(jìn)行濾波運(yùn)算。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著多站高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及其數(shù)據(jù)預(yù)處理研究的不斷深入，地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。該文以較為完整地點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理的相關(guān)流程為基線，論述了當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)各個(gè)關(guān)鍵流程中的技術(shù)要點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行了闡述，希望通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)領(lǐng)域眾多專家學(xué)者的不斷努力，可以取得更多的研究成果。

目前，研究的熱點(diǎn)還是集中在如何能夠高精度、自動(dòng)化的拼接數(shù)據(jù)，但也存在需要解決的問(wèn)題，主要包括以下4 點(diǎn)。1）對(duì)于ICP 算法的改進(jìn)依舊是當(dāng)前的主要任務(wù)。2） 是否能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)的衍生信息運(yùn)用到數(shù)據(jù)拼接當(dāng)中也是值得探討研究的。3） 數(shù)據(jù)在精簡(jiǎn)壓縮的過(guò)程中，需要更優(yōu)良的精簡(jiǎn)算法。4）數(shù)據(jù)光順去噪中至今還沒(méi)有質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。