地面三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理及建模

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摘 ?要： 本論文以昆明理工大學呈貢校區(qū)“昆明理工大學”石碑作為目標場景，利用地面三維激光掃描儀Maptek I-Site 8200SR獲取目標場景的點云數(shù)據(jù)，使用Maptek I-Site Studio 6.0對點云數(shù)據(jù)進行預處理，包括點云數(shù)據(jù)的配準、去噪及精簡;通過提取特征點云同時結合AutoCAD2014、3ds Max實現(xiàn)對目標場景的建模。研究三維激光掃描點云數(shù)據(jù)預處理的方法步驟及模型構建過程，通過分析數(shù)據(jù)處理及建模結果，結合當前的研究狀況探討了模型的相關應用，并展望進一步的研究方向以及工作內(nèi)容。

關鍵詞：?三維激光掃描技術;點云;三維建模;數(shù)據(jù)預處理

中圖分類號： TP391. 41????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.050

【Abstract】： This paper uses the sign of "Kunming University of Science and Technology" of the Cheng-gong Campus of Kunming University of Science and Technology as the target scene，Using the ground 3D laser scanner Maptek I-Site 8200SR to obtain the cloud data of the target scene.and uses Maptek I-Site Studio 6.0 to pre-process the point cloud data. Including registration， de-noising and streamlining of point cloud data; The target scene is modeled by extracting feature point clouds combined with AutoCAD2014 and 3DS Max. This paper studies the method steps and model construction process of 3D laser scanning point cloud data preprocessing， analyzes the data processing and modeling results， discusses the relevant application of the model based on the current research situation， and looks forward to the further research direction and work content.

【Key words】： 3D laser scanning technology; Point cloud; Data preprocessing ;3D modeling

0??引言

三維激光掃描技術的誕生是為了解決工業(yè)領域的設計和制造的需求，已經(jīng)成功且廣泛應用于文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測、工廠、大型結構、管道設計、飛機船舶制造、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建等各個行業(yè)[1-5]。利用三維激光掃描技術所獲取的空間點云數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)快速建立結構復雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型。隨著人們對生產(chǎn)效率要求的提高，三維掃描技術實現(xiàn)在很大程度縮短了產(chǎn)品的設計開發(fā)周期，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了生產(chǎn)成本[6-8]?；跍y繪外業(yè)作業(yè)地勢險峻數(shù)據(jù)獲取困難、外業(yè)人員人生安全缺乏保障、測量數(shù)據(jù)不全面等的特點，本研究側重于對地面目標實體坐標位置及特征結構點云數(shù)據(jù)的獲取及處理，本研究旨在從三維激光掃描儀的原理入手，快速建立結構復雜、不規(guī)則的目標場景的三維可視化模型，通過獲取真實場景的三維激光掃描點云數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)，探索學習三維激光掃描技術的應用、地面三維激光點云數(shù)據(jù)獲取、點云數(shù)據(jù)預處理的流程和方法，同時積累經(jīng)驗，建立規(guī)范，以便達到學習、掌握三維激光掃描技術及其應用，實現(xiàn)縮短生產(chǎn)企業(yè)的開發(fā)設計周期、提高生產(chǎn)效率，以實現(xiàn)三維激光掃描技術能夠更加有效的服務于測繪工程建設。

1??實證研究

本研究以昆明理工大學呈貢校區(qū)“昆明理工大學”石碑作為目標場景。首先，該石碑整體呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，可以通過三維激光掃描技術實現(xiàn)不規(guī)則紋理數(shù)據(jù)的提取;其次，石碑上“昆明理工大學”字體為草檀齋毛澤東字體，石碑上的字體與現(xiàn)在電腦上的毛澤東字體存在一定差別;基于數(shù)據(jù)獲取設備的局限性，地面三維激光掃描儀無法實現(xiàn)掃描到較高景物頂部的點云數(shù)據(jù)，因此，以昆明理工大學呈貢校區(qū)高度較低的石碑作為研究對象，來實現(xiàn)三維激光掃描技術的“實景復制”。

為了使研究的結果更貼近現(xiàn)實，研究數(shù)據(jù)除了三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)以外，再借助單反相機獲取更為清晰的實景照片作為建模紋理數(shù)據(jù)的參照。

三維激光點云數(shù)據(jù)采集使用儀器為：Maptek I-Site 8200SR地面三維激光掃描儀;點云數(shù)據(jù)處理使用軟件Maptek I-Site Studio 6.0，紋理數(shù)據(jù)則使用佳能700D單反相機獲取，其分辨率為1800萬像素，精度為18-55mm。為了保障點云數(shù)據(jù)的完整性，在目標實體四周設置5個站點進行全方位掃描。

2??模型及數(shù)據(jù)處理

2.1 ?原理

三維激光掃描儀采用的是內(nèi)部坐標系統(tǒng)，在三維激光掃描儀內(nèi)部，一般都有兩個相互垂直的軸，而激光測距光束就是以這兩個軸系為旋轉軸進行旋轉測量的，所以一般以這兩個旋轉軸的交點為內(nèi)部坐標系的原點，以地面三維激光掃描儀的水平旋轉軸為內(nèi)部坐標系的Y軸，X軸在水平面內(nèi)與Y軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直構成右手直角坐標系，對于空間任意點P（Xp，Yp，Zp），可以根據(jù)地面三維激光掃描儀空間點坐標計算原理圖1和計算公式1進行坐標的計算[5-7，9-12]。

2.2 ?數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)預處理步驟包含點云配準、點云去噪、點云精簡，具體原理方法如下[6，9-15]：

（1）點云配準

點云數(shù)據(jù)的配準包括基于標靶的配準、基于控制點的配準及基于同名點云的配準三種[6-8、13-17]。本研究則利用三維激光掃描儀配套的點云數(shù)據(jù)處理軟件Maptek I-Site Studio 6.0進行點云數(shù)據(jù)預處理中點云配準步驟。利用軟件中的點云數(shù)據(jù)配準功能（自動化初始定位），將掃描數(shù)據(jù)中第二個掃描站的數(shù)據(jù)作為“固定基準數(shù)據(jù)”進行點云數(shù)據(jù)的配準，點云數(shù)據(jù)配準操作完成后，對其精度進行驗證，點云配準及其配準精度檢驗如圖所示。

（2）點云去噪

由于儀器系統(tǒng)誤差和目標場景點云基礎數(shù)據(jù)獲取時存在不可控的場景環(huán)境因素的影響，地面三維激光掃描儀在進行外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集的過程中會產(chǎn)生一定誤差點云和錯誤點云，即噪聲點云[7，8，12]。

點云數(shù)據(jù)中的噪聲點云按照其產(chǎn)生的原因分為三類[3，7-12，14-15]：第一類噪聲點云是來自三維激光掃描儀本身和掃描方法導致點云數(shù)據(jù)獲取的過程中產(chǎn)生了系統(tǒng)誤差和隨機誤差;第二類噪聲點云是來自目標實體，由于目標實體的材料、顏色、角度、光滑度、曲率、紋理以及空間結構等因素的差別對激光的反射率和反射強度都存在不同影響而產(chǎn)生的隨機誤差。第三類噪聲是因為偶然或不可避免的原因而掃描到非目標物，如在目標場景周圍出現(xiàn)的行人、車輛，甚至是地面揚起的灰塵等此類噪聲點云，該類噪聲點云的產(chǎn)生沒有意義，為粗差點云數(shù)據(jù)。

除通過掃描時準確謹慎的操作以減少噪聲的產(chǎn)生之外，對不同類型的噪聲處理時有對應的方式：可以通過設置合適的掃描參數(shù)，架設恰當?shù)膾呙韪叨龋梢酝ㄟ^點云平滑濾波來減少第一類噪聲點云;通過保證測站與測站之間的距離以及測站到掃描目標實體的距離大致相等的措施，以確保選擇最佳掃描距離來減少第二類噪聲點云的產(chǎn)生;第三類噪聲可以通過在獲取點云數(shù)據(jù)時，對地面三維激光掃描儀進行參數(shù)設置，通過設置相應的閾值以減少噪聲點云的獲取，同時能減少點云數(shù)據(jù)的冗余，在后期點云數(shù)據(jù)處理過程中可通過操作者肉眼直觀判斷手動刪除。

（3）點云精簡

點云精簡算法分為基于曲率和基于法向量的精簡算法[5-8，14-17]：

3??建模

利用Maptek I-Site Studio 6.0軟件對目標場景掃描的三維激光點云數(shù)據(jù)進行預處理，實現(xiàn)點云配準、點云去噪以及點云精簡工作，基于Maptek I-Site Studio 6.0軟件的建模功能不成熟，其建模結果不理想，因此，為保證建模結果的精度準確度與可靠性，通過提取點云數(shù)據(jù)中的特征點云，并結合照片紋理數(shù)據(jù)，利用建模軟件Autodesk 3ds Max實現(xiàn)目標場景實物的重構。

3.1 ?文件格式轉換

結合Maptek I-Site Studio 6.0軟件可以導出的文件類型以及建模軟件Autodesk 3ds Max可識別的文件類型，確定可轉換的數(shù)據(jù)格式為“.dxf”，最終輸出的模型文件格式為“.dwg”，數(shù)據(jù)文件轉換如下圖。

3.2??建模結果

將點云數(shù)據(jù)導入AutoCAD 2014軟件中以獲取目標實景的三維特征點云信息，結合實地所獲取的紋理數(shù)據(jù)，在3D Max軟件中完成建模工作，依次為：貼圖-剪裁-石碑模型建立-字體模型-石碑底座模型建立-水池模型建立-模型紋理映射。

紋理映射技術就是指將幾何模型所對應的建筑實體的二維圖形或圖像覆蓋到三維模型表面上，精細逼真地模擬出物體表面的各個精細的細節(jié)、不規(guī)則結構、圖案和紋理色彩，提高虛擬三維模型的真實性，使得模型表現(xiàn)的更加貼近實體目標。對模型的紋理粘貼一般有兩種方法：一種是給實體模型貼紋理，另一種是給資料粘貼紋理[15-17]，紋理映射及建模結果如圖6所示。

4??結論與建議

4.1??結論

三維激光掃描技術的出現(xiàn)及其發(fā)展為空間信息的獲取提供了全新的技術手段，通過不同類型三維激光掃描儀對目標對象特征點云數(shù)據(jù)及紋理數(shù)據(jù)的獲取，很大程度改變了空間數(shù)據(jù)獲取的方式，極大地提高了傳統(tǒng)測繪效率，在一定程度實現(xiàn)了測繪外業(yè)人力物力的精簡，對測繪外業(yè)數(shù)據(jù)獲取具有重要意義。

本文利用地面三維激光掃描儀Maptek I-Site 8200SR通過對目標場景昆明理工大學呈貢校區(qū)校“昆明理工大學”石碑進行點云數(shù)據(jù)獲取，使用Maptek I-Site Studio 6.0、AutoCAD2014、3ds Max對點云數(shù)據(jù)進行預處理并完成對目標場景的建模，通過分析誤差來源和建模相關步驟，重點研究了數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中的點云配準、點云去噪、點云精簡等理論和算法，同時對三維激光掃描技術和模型構建特點進行分析，結合當前的研究狀況探討了模型的相關應用，并展望了進一步的研究方向及內(nèi)容。

任何一項新興技術的發(fā)展都需要一個過程，同理，一款測量儀器也不可能實現(xiàn)解決測繪作業(yè)中遇到的所有問題，只有針對測量對象的特點，綜合各類儀器設備的優(yōu)點及可取之處，充分發(fā)揮各類儀器設備在測繪外業(yè)數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中應用，使其相輔相成，全面實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)效率的提高。

4.2??建議

地面三維激光掃描技術有著廣闊的應用前景和研究熱點，由于是較新的研究領域、且該技術的復雜性以及個人水平有限，雖然本文對昆明理工大學呈貢校區(qū)石碑場景通過點云數(shù)據(jù)采集以及完成三維模型重建做了一些研究工作，但仍存在許多不足，需要進一步深入研究，主要在以下幾個方面：

（1）點云數(shù)據(jù)獲?。簩τ谀繕藞鼍包c云數(shù)據(jù)獲取：由于自身的遮擋原因，無法獲取建筑物的完整點云，需要對點云數(shù)據(jù)進行重采樣;人工手動補充點云數(shù)據(jù)的重采樣方存在式工作量大，且會造成數(shù)據(jù)量過大及數(shù)據(jù)冗余問題，在后期數(shù)據(jù)處理中，對數(shù)據(jù)處理設備的要求較高，且數(shù)據(jù)量大和數(shù)據(jù)冗余問題會直接影響點云數(shù)據(jù)預處理的效率。因此，在數(shù)據(jù)獲取前期完善點云數(shù)據(jù)獲取方案外，目標場景部分數(shù)據(jù)無法獲取的情況下如何更加有效的完成建模工作亟待解決。

（2）點云算法：點云數(shù)據(jù)處理內(nèi)容的相關算法也需要進一步研究：其一，對點云的自動分割算法需要進一步完善，如能自動分割出許多數(shù)據(jù)量小、擁有相同特征的點云部分（如雕像的底座、建筑物的門窗、墻壁柱子等局部自動分割出來），即可先對目標建筑物的局部進行建模，然后在將部分模型拼接成完整模型，將點云數(shù)據(jù)及工作量分散之后，可以大大降低建模對計算機配置要求，同時能在極大程度提高工作效率，避免數(shù)據(jù)處理過程中軟件或系統(tǒng)由于無法承載數(shù)據(jù)處理量而出現(xiàn)崩盤狀況;其二，點云數(shù)據(jù)的精簡算法也需要進行深入研究及完善，探究如何在保留目標實體特征點云的基礎上，實現(xiàn)其余點云數(shù)據(jù)的精簡;基于點云數(shù)據(jù)量大的特點而不適用于在數(shù)字城市等的應用中，3Dmax模型數(shù)據(jù)量小，在數(shù)據(jù)量上占有優(yōu)勢，但3Dmax手動提取特征點云、手動實現(xiàn)建模，因而工作量大，在實際的生產(chǎn)工作中需要花費大量的人力物力財力;綜上所述，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的精簡，在很大程度提高工作效率，減少成本投入。

（3）數(shù)據(jù)格式轉換：在點云數(shù)據(jù)格式的轉換方面，具有廣闊的研究前景，點云數(shù)據(jù)格式與建模軟件格式的統(tǒng)一，減少了數(shù)據(jù)轉換的步驟，精簡建模步驟從而能提高建模工作的效率。

將三維激光掃描技術應用到其他領域，如建筑、城市規(guī)劃、數(shù)字城市、文物保護等領域，同時與傳統(tǒng)的測量方法進行取長補短，縮短產(chǎn)品周期，提高各領域工作效率，使三維激光掃描技術更加有效的服務于測繪行業(yè)。

參考文獻

李俊寶， 馬世龍. 基于點云數(shù)據(jù)的建筑物建模方法[J]. 北京測繪， 2019， 33（08）： 895-898.

魯冬冬， 鄒進貴. 三維激光點云的降噪算法對比研究[J]. 測繪通報， 2019（S2）： 102-105.

馬立廣. 地面三維激光掃描掃描測量技術研究[D]. 武漢： 武漢大學， 2005.

肖靜. 虛擬校園三維建模的相關技術問題研究[J]. 軟件， 2013， 34（11）： 152+160.

黃永生， 張永明. 三維激光掃描技術在公路帶狀圖測量中的應用[J/OL]. 地理空間信息， 2019（09）： 119-122+7?[2019-?09-26]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1692.P.20190919.1604.?072.html.

馬益平， 朱元彪， 陳玄俊， 郭高鵬， 錢凱， 蔣曼. 基于實景三維模型的變電站應用研究[J]. 地理信息世界， 2019， 26（04）： 117-123.

耿黎娜， 朱蘭艷， 李啟萌， 張畢祥. 基于三維激光掃描技術的建筑物模型構建的研究[J]. 軟件， 2018， 39（11）： 134-139.

周華偉. 地面三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理與模型構建[D]. 昆明理工大學， 2011.

王磊， 郭清菊， 姜晗. 基于改進的八叉樹索引與分層渲染的海量激光點云可視化技術[J]. 軟件， 2016， 37（3）： 114-117.

胡玉祥， 李勇， 張洪德， 王智， 孟慶年. 地面三維激光掃描技術在建筑物立面測繪中的應用[J]. 城市勘測， 2019（03）： 87-91.

吳蒙. 基于三位激光掃描技術的建筑物建模研究[D]. 東華理工大學， 2015.

張維強. 地面三位激光掃描技術及其在古建筑測繪中的應用研究[D]. 長安大學， 2014.

范葛芹， 周榮生， 盧其飛. 基于Google SketchUp的數(shù)字化校園三維建模技術的研究[J]. 軟件， 2017， 38（01）： 53-57.

李文國. 三維激光掃描技術和低空無人機在異形建筑竣工測量中的應用[J]. 城市勘測， 2019（04）： 108-111.

董默， 趙若晗， 周志尊， 等. 醫(yī)學圖像三維重建系統(tǒng)設計與應用[J]. 軟件， 2018， 39（1）： 87-90.

黃厚圣. 地面三維激光掃描技術在文物保護中的應用研究[D]. 長安大學， 2014.

郭祥， 劉卉. 三維激光掃描技術及其在地質(zhì)中的應用展望[J]. 軟件導刊， 2009， 8（03）： 183-185.