徠卡C10入射角度對(duì)激光點(diǎn)云反射強(qiáng)度的影響

李培顯 楊涵睿 謝宏全 孫建宇 蘆斌 汪秋玲

摘? 要：采用三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)過程中，影響激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素較多，其中入射角度是主要影響因素之一。選擇江蘇海洋大學(xué)校蒼梧校區(qū)的海洋樓東側(cè)墻面上3個(gè)粗糙度不同的局部區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用徠卡C10掃描儀獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Cyclone8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，在Excel軟件中進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析。研究結(jié)果表明：隨著入射角度的增大，激光點(diǎn)云反射強(qiáng)度逐漸降低。

關(guān)鍵詞：激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)? Cyclone? 粗糙度? 反射強(qiáng)度? 入射角度

中圖分類號(hào)：P225 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（a）-0041-02

近年來，地面三維激光掃描技術(shù)發(fā)展迅速，在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，除了可以反映對(duì)象的三維信息外，還可以反映掃描對(duì)象的反射強(qiáng)度信息。國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，有代表性成果是：賈東峰等[1]研究了入射角度對(duì)激光點(diǎn)云精度的影響，夏國(guó)芳等[2]研究了激光入射角度對(duì)點(diǎn)云反射強(qiáng)度的影響。三維激光掃描儀以不同入射角掃描情況下，獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量與反射強(qiáng)度的關(guān)系方面進(jìn)行研究具有重要意義。

1? 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

1.1 選取研究對(duì)象

該試驗(yàn)選擇江蘇海洋大學(xué)蒼梧校區(qū)的海洋樓東面3個(gè)粗糙度不同的墻面作為研究對(duì)象。用小鋼尺測(cè)得墻面面積分別為6715（85×79）cm2、2500（50×50）cm2、2492（44.5×56）cm2，離地高度分別為80cm、117.5cm和30.5cm。

1.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

該研究數(shù)據(jù)獲取采用測(cè)繪與海洋信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)室擁有的徠卡C10掃描儀。結(jié)合墻面周圍環(huán)境的特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)采集要求，分別以入射角度為80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°、10°、0°這9個(gè)測(cè)站進(jìn)行掃描。采集數(shù)據(jù)的主要操作步驟如下。

（1）以入射角度為0°即垂直于儀器所在O點(diǎn)為起點(diǎn)，用卷尺量取一定距離r處的A點(diǎn)作為第一個(gè)測(cè)站，用記號(hào)筆做好標(biāo)記，取半徑r為6m，根據(jù)弧長(zhǎng)計(jì)算公式（1）計(jì)算出弧長(zhǎng)l的長(zhǎng)度。

×π×6=1.047（m）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

在O點(diǎn)處用卷尺量取同樣r長(zhǎng)度。在A點(diǎn)用小鋼尺量取l長(zhǎng)度和卷尺交會(huì)出第二個(gè)測(cè)站B點(diǎn)。以此方法類推得到其余7個(gè)測(cè)站點(diǎn)（見圖1）。

（2）在每個(gè)測(cè)站點(diǎn)安置掃描儀（對(duì)中與整平），對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行預(yù)掃描，以確定合理的掃描范圍，合格后可進(jìn)行正式掃描，掃描分辨率設(shè)置為1mm。重復(fù)測(cè)站掃描獲得不同墻面粗糙度的不同角度掃描結(jié)果后，用U盤導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2? 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

針對(duì)儀器獲取的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是重要的環(huán)節(jié)[3-4]，處理軟件是與徠卡C10掃描儀配套的Cyclone8.0。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在Cyclone8.0軟件中新建數(shù)據(jù)庫并導(dǎo)入掃描數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入成功后檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。利用Cyclone軟件中提供的刪除點(diǎn)云工具，只保留掃描后的研究有效區(qū)域。利用軟件提供的“Unify Clouds”命令，點(diǎn)云間隔數(shù)值設(shè)置為0.001m，得到均一化之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖，粗糙墻面不同入射角度下（0°，40°，80°）均一化后的點(diǎn)云如圖2所示。

入射角0°入射角40°入射角80°

2.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

把均一化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出所需格式的文件。此次導(dǎo)出*.txt格式的文件以備在Excel軟件中做進(jìn)一步地分析處理。

3? 數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)三次測(cè)量得出的點(diǎn)云數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果填寫到表1。根據(jù)之前測(cè)得各面積，計(jì)算出每平方厘米中點(diǎn)云數(shù)量填寫到表2。根據(jù)表1和表2在Excel軟件中做出相對(duì)應(yīng)的關(guān)系圖（見圖3、圖4）。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）從表1分析出在同樣粗糙度下，隨掃描入射角度的增大，點(diǎn)云數(shù)量減少。粗糙墻面下以80°入射角度掃描，點(diǎn)云數(shù)量為124785個(gè)。以入射角度為0°掃描時(shí)，點(diǎn)云數(shù)量為685009個(gè)。兩者比例大約為1/6。

（2）從表2可看出以同樣的入射角度掃描同樣大小的墻面，粗糙度越小，點(diǎn)云數(shù)量越多。當(dāng)入射角度為0°時(shí)，每平方厘米中掃描光滑墻面、較粗糙墻面和粗糙墻面得到的點(diǎn)云數(shù)量分別為275個(gè)、274個(gè)和102個(gè)。當(dāng)入射角度為80°時(shí)，其結(jié)果分別為50個(gè)、50個(gè)和19個(gè)。

（3）根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以直觀看出，隨著粗糙度和入射角度的增大，點(diǎn)云數(shù)量隨之減少。當(dāng)入射角度為0°時(shí)3種粗糙度的點(diǎn)云數(shù)量差值近似相等，隨著入射角度的增大，差值在逐漸減小。

4? 結(jié)語

通過掃描3種不同粗糙度區(qū)域，以9個(gè)不同入射角度獲取數(shù)據(jù)，結(jié)果分析表明：點(diǎn)云數(shù)量與粗糙度密切有關(guān)，隨著入射角度的增大，激光點(diǎn)云反射強(qiáng)度值在降低。同時(shí)3種粗糙度點(diǎn)云數(shù)量之間的差值逐漸減少。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈東峰，程效軍，劉燕萍.入射角度對(duì)激光點(diǎn)云精度的影響分析[J].工程勘察，2018（5）：43-49.

[2] 夏國(guó)芳，胡春梅，曹畢錚.激光入射角度對(duì)點(diǎn)云反射強(qiáng)度的影響研究[J].激光雜志，2016，37（4）：11-13.

[3] 王民水.中距離三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理方法研究[D].吉林大學(xué)，2017.

[4] 王井利，樊家榮.激光掃描表面特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法[J].論述，2019（4）：1-2.