楊玉平 楊珂凡

（上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院 江西上饒 334000）

1 引言

在傳統(tǒng)測(cè)量領(lǐng)域，主要通過(guò)全站儀、GPS接收機(jī)獲取信息，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)筑物進(jìn)行描述時(shí)體現(xiàn)出現(xiàn)率低下，信息采集不到等缺點(diǎn)[1]。三維激光掃描技術(shù)很好地解決了相關(guān)問(wèn)題。

這一新技術(shù)的創(chuàng)造和發(fā)展將測(cè)繪數(shù)據(jù)的點(diǎn)位信息采集和信息處理的方法帶入到新的層面[2]。三維激光掃描技術(shù)具有高程度的制動(dòng)化，主動(dòng)性和適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。

2 建模實(shí)施過(guò)程

使用三維激光掃描儀進(jìn)行工作時(shí)，它的操作步驟包括制定計(jì)劃、外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。在開始工作之前要制定好工作計(jì)劃。數(shù)據(jù)外業(yè)采集工作的制定和執(zhí)行合理性直接決定采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后期三維模型建立的精度和質(zhì)量；數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理也是關(guān)鍵的部分。三維建模的質(zhì)量在很大程度上取決于前期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集精度以及預(yù)處理的精細(xì)程度，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集及其處理尤為重要[4]。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

首先FARO在校門進(jìn)行了掃描,校門外左右各設(shè)了1個(gè)站點(diǎn),校門下設(shè)了1個(gè)站點(diǎn),校門與女媧像間設(shè)了2個(gè)站點(diǎn)。設(shè)站時(shí)天氣多云,氣候條件較好,有利于掃描儀掃描,每站用時(shí)15分左右。因點(diǎn)與數(shù)據(jù)的精度會(huì)受到測(cè)站位置的影響，測(cè)站的擺放是施測(cè)前很重要的一個(gè)步驟，在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)造成很大影響。操作者在進(jìn)行完踏勘之后，恰當(dāng)?shù)牟荚O(shè)測(cè)站點(diǎn)不僅可以有效的減少數(shù)據(jù)冗余，還能夠提高點(diǎn)云配準(zhǔn)時(shí)的精度以及后期建模的精度。

為了保證點(diǎn)與數(shù)據(jù)的精度，設(shè)置測(cè)站的時(shí)候要注意以下幾點(diǎn)：第一要保證目標(biāo)對(duì)象在儀器的有效掃描視場(chǎng)內(nèi)。雖然從儀器的參數(shù)上顯示儀器的掃描范圍很大，但在數(shù)據(jù)采集中由于受到各種外來(lái)因素的干擾，不可能達(dá)到儀器標(biāo)稱的有效視場(chǎng)。第二要合理布局測(cè)站數(shù)，做到既能減少盲區(qū)，又能不造成太多數(shù)據(jù)的重復(fù)掃描區(qū)域。一般來(lái)講保持在百分之二十到百分之三十比較好。如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)盲區(qū)將會(huì)對(duì)后期建模造成難度并且會(huì)降低建模精度，但是數(shù)據(jù)的重復(fù)掃描區(qū)域過(guò)多，不僅會(huì)增加外業(yè)工作量，而且會(huì)增加點(diǎn)云預(yù)處理和后期建模的工作量。第三在現(xiàn)場(chǎng)地形允許的情況下要確保掃描儀的掃描姿勢(shì)處于正直掃描狀態(tài)，這是由于目標(biāo)物體與掃描激光束的夾角太大可能會(huì)造成一定的誤差[5]。因此在布設(shè)站點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量使儀器正直掃描。第四要合理安排標(biāo)靶的位置和數(shù)量，三維激光掃描儀應(yīng)用于滑坡變形監(jiān)測(cè)等應(yīng)用時(shí)，需要把獨(dú)立的測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在實(shí)際的坐標(biāo)系下，因此標(biāo)靶位置的布設(shè)相當(dāng)重要，放置標(biāo)靶一定要放在能夠通視的地方，以便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，合理的布局有利于提高轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的精度[6]。一般儀器配置的標(biāo)靶數(shù)量并不多，這時(shí)應(yīng)該要注意在兩個(gè)測(cè)站上，應(yīng)至少放置三個(gè)標(biāo)靶（三標(biāo)靶不共線），當(dāng)有必要放四個(gè)公共標(biāo)靶的時(shí)候，則應(yīng)該有必要地避開四個(gè)標(biāo)靶共面的情形。

2.2 數(shù)據(jù)處理

在建模之前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理，以獲得合適的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，點(diǎn)云的處理是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。首先要對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，這包括檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整，一般采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都會(huì)含有各種各樣的噪聲，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪；還有要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。對(duì)初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理之后，就可以用于建立起相應(yīng)的三維模型。一般對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理包括以下步驟:清理點(diǎn)云、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)的分割縮減、曲面擬合等[7]。

2.3 建模

Geomagic的作業(yè)流程包括點(diǎn)云處理、多邊形階段的操作、網(wǎng)格參數(shù)化、NURBS進(jìn)行曲面的擬合，大大節(jié)省傳統(tǒng)式曲面造型所需要投入的時(shí)間和人數(shù)。在Geomagic Studio中首先是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪、剔除；三角網(wǎng)格曲面就是在這些經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的點(diǎn)云基礎(chǔ)上重建而來(lái)，然后就可以對(duì)其進(jìn)行編輯修補(bǔ)、分割以及參數(shù)化設(shè)置、柵格化和光滑等一系列操作后，最后經(jīng)過(guò)曲面擬合來(lái)得到光順的NURBS曲面[8]。最終得到模型如圖1所示。

圖1 激光點(diǎn)云模型

3 三維重建模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)

建模應(yīng)用中，精度是衡量所建模型質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前的精度判斷是通過(guò)重建的模型和物體的實(shí)際尺寸等方面的偏差來(lái)衡量判斷。這種評(píng)價(jià)是一種整體對(duì)比的評(píng)價(jià)，它通過(guò)認(rèn)真地比較得出具體的數(shù)量關(guān)系，也可以稱為是一種量化的評(píng)價(jià)，我們可以從重構(gòu)曲面片與實(shí)物曲面的偏差；重建后的模型和實(shí)際對(duì)象的比較，如面積、體積、尺寸。當(dāng)專門針對(duì)曲面模型的評(píng)價(jià)時(shí)，我們可以通過(guò)非量化的評(píng)價(jià)如模型表面的光滑性、光照效果、貼圖效果。對(duì)于目標(biāo)物體是比較規(guī)則的情況，就能通過(guò)整體量化的評(píng)價(jià)的方式對(duì)比重建后的模型和實(shí)際物體的幾何尺寸等進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。針對(duì)具有復(fù)雜幾何外型的目標(biāo)對(duì)象的時(shí)候就只能使用局部評(píng)價(jià)指標(biāo)了，包含量化和非量化兩種。評(píng)價(jià)的方法還可以采用最小距離、最大距離、平均距離等來(lái)進(jìn)行[9]。

4 模型重建的誤差來(lái)源及對(duì)策

模型重建的誤差來(lái)源主要分為兩個(gè)部分，第一種是點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身的測(cè)量誤差；第二種就是整個(gè)重建模型過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。第一種誤差指的是儀器本身的誤差、與被掃描的物體表面比如物理屬性有關(guān)的誤差、外界環(huán)境條件的影響等。第二種誤差包含了數(shù)據(jù)處理造成的誤差和曲面階段產(chǎn)生的誤差有很多，比如點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云的精簡(jiǎn)以及對(duì)曲面進(jìn)行擬合等步驟都會(huì)造成一定的誤差。在曲面階段總是會(huì)產(chǎn)生各種各樣的計(jì)算、操作誤差，在逆向工程領(lǐng)域，專業(yè)的處理軟件都帶有特有的檢測(cè)分析功能，如Geomagic就具有3D比較功能，據(jù)此可以區(qū)分出兩個(gè)模型之間的誤差和精度。減小誤差的辦法總是以盡可能地減小為目的。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，誤差不可避免地存在于各個(gè)步驟。我們只有從誤差的根源著手，將各種誤差盡可能的減小或控制在數(shù)據(jù)允許范圍之內(nèi)，才能達(dá)到要求。在逆向工程中，控制誤差大小總的原則包含滿足模型的幾何尺寸、力學(xué)性能和裝配要求。通常通過(guò)選擇更加實(shí)用的測(cè)量設(shè)備和方法，在條件允許的情況下，選擇精度較高的儀器；盡量減少人為因素（如視覺(jué)誤差、操作誤差、標(biāo)靶的放置)造成的影響；提高點(diǎn)云計(jì)算的精度并且盡可能減少數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；另外建模過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況選擇更有利于提高精度的封裝和擬合方法，并且及時(shí)對(duì)當(dāng)前構(gòu)建的模型進(jìn)行分析和修改，盡量減小處理過(guò)程中的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著三維激光掃描技術(shù)的高速發(fā)展以及其相關(guān)軟硬件的日益成熟，該技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)和生活中的眾多領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。三維激光掃描儀以它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在變形監(jiān)測(cè)、地形測(cè)繪、土方量計(jì)算、管道設(shè)計(jì)、橋梁和工業(yè)產(chǎn)品的制造等方面越來(lái)越多的運(yùn)用到。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模技術(shù)伴隨著廣泛的應(yīng)用，建立完整、精確的三維空間信息數(shù)據(jù)模型具有嶄新意義。文章把三維建模應(yīng)用作為目的，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一系列前期處理過(guò)程以及建模的重要步驟進(jìn)行了探討研究，最終完成了建模，取得不錯(cuò)效果。三維激光掃描技術(shù)還存在諸多不足，其未來(lái)發(fā)展的難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：

1）與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比，三維激光掃描儀質(zhì)量較重、體積較大，給外業(yè)的搬運(yùn)和操作造成不便，今后應(yīng)該向儀器的輕型化、小型化和便捷化發(fā)展。

2）不同的掃描儀配套的數(shù)據(jù)處理軟件各不相同，且數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，用其他軟件無(wú)法打開，相互之間數(shù)據(jù)不兼容，應(yīng)該統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。

3）各個(gè)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過(guò)程和方法比較復(fù)雜，而且對(duì)計(jì)算機(jī)軟件硬件的要求比較高，應(yīng)該對(duì)軟件進(jìn)行更深度的開發(fā)，達(dá)到對(duì)大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和高效化。

4）三維激光掃描儀比較貴，基本都在一百萬(wàn)元以上，難以滿足普通化需求和推廣普及應(yīng)用，三維激光掃描儀應(yīng)該國(guó)產(chǎn)化大力開發(fā)研制具有自主創(chuàng)新的高精度的掃描儀器。

5）通過(guò)聯(lián)系其他測(cè)量設(shè)備（如GPS、全站儀等）進(jìn)行三維激光掃描儀系統(tǒng)的合作測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)不同儀器間的數(shù)據(jù)連接、共享，以完成實(shí)時(shí)的定位以及高精度的測(cè)站高度集成化作業(yè)。