三維激光掃描技術(shù)在廣東樹木園景觀可視化重建中的應(yīng)用

謝繼紅 郭樂東 周宇飛 王振師 付曉玲

摘要：隨著森林管理要求的不斷提高，應(yīng)用激光雷達(dá)和計(jì)算機(jī)技術(shù)建立森林可視化三維實(shí)景是實(shí)現(xiàn)森林?jǐn)?shù)字化、精細(xì)化管理的重要技術(shù)手段。為開展森林環(huán)境的三維可視化實(shí)景重建，該文采用激光掃描技術(shù)快速地獲取廣東樹木園森林環(huán)境的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的拼接、去噪、配準(zhǔn)和匹配著色等處理后，重建了樹木園三維實(shí)景，為廣東樹木園的管理和開展自然科普教育、森林旅游提供了真實(shí)的森林景觀虛擬環(huán)境。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;點(diǎn)云數(shù)據(jù);可視化;森林景觀重建

中圖分類號(hào)：S758.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Application of 3DLaser Scanning Technology in Guangdong TreePark Visual Reconstruction of Forest Landscape

XIE Jihong1，2 GUO Ledong1，2 ZHOU Yufei1，2 WANG Zhenshi1，2FU Xiaoling1，2

（1.Guangdong Academy of Forestry Sciences;2.Guangdong Key Laboratory of forest cultivation， protection and utilization， Guangzhou， Guangdong Province， 510520 China）

Abstract：With the continuous improvement of forest management requirements， the application of laser radar and computer technology to establish forest visualization of 3 d imaging is to realize the digitization and intensification tube forest.This article adopts laser scanning technology to quickly obtain the guangdong trees park forest environment point cloud and image data.After the data splicing， denoising， registration and matching color processing， rebuild the trees park three-dimensional imaging，To the management and development of guangdong trees park science and nature education， forest tourism provides the real forest landscape virtual environment.

KeyWords：3D laser scanning; Point cloud; Visualization;Forest landscape reconstruction

三維激光掃描技術(shù)能快速獲取被測物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上經(jīng)過多站點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)融合，形成被測物體完整的三維實(shí)景，該技術(shù)在基建測量、安防建設(shè)和歷史物體保護(hù)等三維模型構(gòu)建方面廣泛應(yīng)用，特別對建立不規(guī)則場景的三維可視化模型有重要作用[1]。森林環(huán)境地形復(fù)雜，樹木空間分布各異，對林木空間數(shù)據(jù)采集困難。曹明蘭等人應(yīng)用傾斜攝影與三維激光掃描相結(jié)合開展的森林景觀三維場景建模，其精度和效率都明顯提高[2]。在野外復(fù)雜環(huán)境下建立三維模型更為困難，舒田等人利用Riegl VZ-400三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接處理，實(shí)現(xiàn)了火龍果園的三維可視化，為虛擬果園管理供參考[3]。三維激光掃描技術(shù)能快速獲取物體空間信息的特點(diǎn)，為森林景觀可視化提供了更加有效的數(shù)據(jù)源和更為快捷的方法。該文采用Riegl VZ-2000地面激光掃描儀對廣東樹木園進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]，通過點(diǎn)云去噪、拼接、配準(zhǔn)、配色等，重建了廣東樹木園的三維可視化景觀模型，達(dá)到為樹木園的管理和自然科普教育提供更為直觀效果的目的。

1 廣東樹木園概況

廣東樹木園位廣州市天河區(qū)，建立于20世紀(jì)50年代，是廣東省優(yōu)良樹木種質(zhì)資源保存種植基地，種植有各種樹木1 100多種，其中國家、省級(jí)保護(hù)樹種近百種。園內(nèi)各種古木參天、千姿百態(tài)，已經(jīng)成為廣州市的天然大氧吧，深受市民和廣大中小學(xué)生的喜愛，是集悠閑健身、科普教育于一體的公園，也是省、市、區(qū)青少年科普及自然教育基地。因此，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)建立廣東樹木園的三維實(shí)景模型，對利用多媒體全方位開展自然科普教育和進(jìn)一步細(xì)化樹木園的科普設(shè)施建設(shè)都具有重要作用。

2 數(shù)據(jù)采集

采用RIEGL VZ-2000型三維激光掃描儀，該激光掃描儀具有高精度的激光測距和多回波接收技術(shù)，能自動(dòng)、快速、連續(xù)地獲取目標(biāo)物體表面樣點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，能對實(shí)時(shí)獲取數(shù)的據(jù)進(jìn)行波形數(shù)字化分析。RIEGL VZ-2000型三維激光掃描儀的技術(shù)性能見表1。在掃描儀的頂部還配有有效像素2000萬的數(shù)碼相機(jī)，可對周圍景物進(jìn)行360°的全景拍攝。掃描儀還配有掃描控制和數(shù)據(jù)處理軟件，可以根據(jù)掃描站點(diǎn)環(huán)境設(shè)置技術(shù)參數(shù)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

為獲取森林環(huán)境完整的三維信息數(shù)據(jù)，要建立多個(gè)掃描站點(diǎn)進(jìn)行交叉掃描。在前期現(xiàn)場勘踏的基礎(chǔ)上，利用RIEGL VZ-2000三維激光掃描儀在樹木園內(nèi)不同位置站點(diǎn)進(jìn)行掃描（見圖1）。掃描完成后，檢查每個(gè)站點(diǎn)的覆蓋范圍，對樹木茂密或遮擋嚴(yán)重的區(qū)域補(bǔ)充掃描，盡可能獲取詳細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息（見圖2），該次共計(jì)在樹木公園內(nèi)建立了21個(gè)站點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用RIEGL VZ-2000三維激光掃描儀配套的RiSCAN PRO軟件系統(tǒng)和RiSCA NLIB庫對點(diǎn)云進(jìn)行處理，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪。把各站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，完成2D/3D模式下點(diǎn)云的顯示和瀏覽，檢查激光不同照射強(qiáng)度的反射率灰度和不同高程假彩色變化狀態(tài)。通過三角網(wǎng)法對模型紋理映射和點(diǎn)云著色，對非目標(biāo)物體點(diǎn)云采用軟件和手工處理相結(jié)合，使組建的森林環(huán)境三維可視化更符合實(shí)際形態(tài)。

3.1 去噪點(diǎn)處理

點(diǎn)云噪點(diǎn)是三維掃描儀在掃描的過程中，由于外界的因素以及掃描儀本身的原因造成的激光點(diǎn)云信息，如煙霧、水汽、行人、車輛和其他因素產(chǎn)生的點(diǎn)云等，這些噪點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重影響森林環(huán)境可視化建模效果[5]。對掃描過程中產(chǎn)生的不連續(xù)、雜亂的離群噪點(diǎn)，可用RiSCAN PRO軟件的Surface Comparison功能進(jìn)行刪除，方法是根據(jù)離散的點(diǎn)云與目標(biāo)表面點(diǎn)云之間的距離設(shè)置閾值，當(dāng)距離大于閾值的，即為非目標(biāo)點(diǎn)云而進(jìn)行刪除，當(dāng)距離小于閾值的，則就作為目標(biāo)點(diǎn)云予以保留。這個(gè)功能主要是對煙霧、水汽及其他光點(diǎn)所造成的較為離散的噪點(diǎn)進(jìn)行刪除。對于行人、車輛或其他物體造成的噪點(diǎn)，則要通過手工進(jìn)行選擇性刪除。例如：存放在園區(qū)內(nèi)的摩托車，可通過手動(dòng)選擇雙視角進(jìn)行選區(qū)交叉（交集）的方式，對摩托車點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)刪除，并利用其他站點(diǎn)激光掃描所獲取該區(qū)域空間的點(diǎn)云信息，還原園區(qū)樹木的現(xiàn)實(shí)點(diǎn)云特征。噪點(diǎn)的刪除是逐步開展的過程，通過對云點(diǎn)360°的分析，逐漸將非主體點(diǎn)云表面的噪點(diǎn)刪除干凈。

3.2點(diǎn)云拼接

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是使用控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)的，在控制網(wǎng)坐標(biāo)系下進(jìn)行點(diǎn)云的有效配準(zhǔn)，利用拼接軟件在三維坐標(biāo)體系下進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)和拼接。RieglVZ-2000三維激光掃描儀設(shè)有GPS和慣導(dǎo)系統(tǒng)，在掃描中自動(dòng)記錄站點(diǎn)經(jīng)緯度和高程坐標(biāo)，與激光掃描相配套的RiSCAN PRO處理軟件，能把激光掃描儀各站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，組成完整的工程文件。當(dāng)有些站點(diǎn)的點(diǎn)云缺失時(shí)，則可以通過人工干預(yù)進(jìn)行配準(zhǔn)，把已知點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到控制網(wǎng)坐標(biāo)下進(jìn)行匹配和拼接。完成后拼接后，瀏覽查驗(yàn)是否存在與實(shí)景不一致的物體，如掃描到的云霧、人員、車輛等，這些雜點(diǎn)點(diǎn)云可通過濾波清理離群噪點(diǎn)和手動(dòng)刪除內(nèi)部物體點(diǎn)云的方法刪除與目標(biāo)無關(guān)的噪點(diǎn)，保存生成新的（.txi或.las）格式文件，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)保存為.xyz 格式。點(diǎn)云自動(dòng)拼接和手動(dòng)拼接相結(jié)合，其拼接的準(zhǔn)精度更高。

3.3點(diǎn)云著色

點(diǎn)云著色是把激光雷達(dá)點(diǎn)云與數(shù)碼影像進(jìn)行重組，從而使被掃描物體的表面形成更近于實(shí)際的形狀色彩。RISCAN PRO軟件能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)碼相片的合并，使森林場景照片的紋理映射到樹木三維模型上，如樹葉的點(diǎn)云與樹葉影像大小相匹配、樹干表面的點(diǎn)云與樹干影像信息位置的匹配，點(diǎn)云與物體的大小形態(tài)重合就越好，說明匹配精度越高，反之，點(diǎn)云與物體會(huì)出現(xiàn)分層，影響三維可視化的成像效果。樹木園內(nèi)往往存在一些激光掃描不到或者無法采樣所產(chǎn)生的空間，應(yīng)通過手工選擇區(qū)域或進(jìn)行三角劃分，對空洞區(qū)域進(jìn)行處理，使生成的三角形網(wǎng)格和更符合三維輪廓表面，經(jīng)處理后建立的三維場景精度更高。匹配精度與激光雷達(dá)掃描儀的技術(shù)性能和掃描距離有關(guān)，同一部激光雷達(dá)，隨著掃描距離的增大，點(diǎn)云與影像的匹配精度就會(huì)降低。

4 可視化生成與應(yīng)用

通過三維激光掃描、高清攝影等技術(shù)從環(huán)境中快速地獲取空間信息數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理輔助通過改變反射率/強(qiáng)度值展示激光視角，以高程著色展示樹木高程信息，采用不同深度色彩展示距離的遠(yuǎn)近等，通過機(jī)器視覺、動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字媒體等技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對樹木園三維實(shí)景模型形成和虛擬再現(xiàn)。激光點(diǎn)云融合后的三維模型的細(xì)節(jié)清晰，多角度直觀反應(yīng)了森林地物的真實(shí)結(jié)構(gòu)特征，極大展示了樹木園空間結(jié)構(gòu)效果?；诩す鈷呙韬陀?jì)算機(jī)處理技術(shù)的三維建模減少了大量人工測量、描繪工作，建模效率明顯提高。

運(yùn)用vault軟件為樹木園三維實(shí)環(huán)境中設(shè)置興趣點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)擊興趣點(diǎn)時(shí)，可鏈接到網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)庫中，該點(diǎn)的有關(guān)資料即時(shí)在顯示框中顯示出來。同時(shí)應(yīng)用該軟件集成的“無限細(xì)節(jié)”三維引擎技術(shù)為樹木園三維實(shí)景提供全息投影演示，使參與者在虛擬森林環(huán)境中全方位地進(jìn)行互動(dòng)，一起完成演示，產(chǎn)生更為真切的表演效果，促進(jìn)人與森林環(huán)境更為密切接觸[6]。

5 結(jié)語

采用RIEGL VZ-2000激光掃描系統(tǒng)對森林環(huán)境掃描獲取的激光點(diǎn)云，經(jīng)除噪點(diǎn)、拼接和點(diǎn)云著色配準(zhǔn)融合后，構(gòu)建了廣東樹木園的森林可視化三維模型，利用激光掃描系統(tǒng)構(gòu)建的森林景觀三維可視化模型，樹木輪廓清晰、形態(tài)逼真，解決了樹林中郁閉度變化引起影像不清的問題，提高了建模效率，對景觀精準(zhǔn)規(guī)劃設(shè)計(jì)及精細(xì)化管理等有重要作用。三維激光掃描技術(shù)具有操作簡便、快速準(zhǔn)確和點(diǎn)云數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)勢。在林業(yè)測量、三維可視化建模、虛擬實(shí)景重建以及樹木的無損傷、高效、精準(zhǔn)監(jiān)測、安防應(yīng)用等方面具有應(yīng)用前景廣闊。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的快速發(fā)展，森林三維可視化重建技術(shù)的應(yīng)用將成為旅游、森林保護(hù)的重要的開發(fā)內(nèi)容。

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