賀 婧

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與測(cè)繪工程分院， 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

近年來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步，測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用也與時(shí)俱進(jìn)。數(shù)字城市、逆向工程、虛擬現(xiàn)實(shí)等工程都必不可少的需要建立三維幾何建模，而傳統(tǒng)的AutoCAD、3D Max等軟件已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)復(fù)雜曲面建模的需要，因此出現(xiàn)了三維激光掃描技術(shù)。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，三維激光掃描儀采用非接觸的測(cè)量方法對(duì)復(fù)雜物體進(jìn)行測(cè)量，直接得到物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再重構(gòu)出任意曲面。用傳統(tǒng)方法測(cè)量時(shí)很可能造成物體變形，而且精度較低，但是以三維激光掃描儀為測(cè)量手段，不會(huì)造成物體變形和損失。

1 原 理

三維激光掃描技術(shù)能對(duì)復(fù)雜物體進(jìn)行測(cè)量，獲取點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三維激光掃描儀是結(jié)合激光測(cè)距儀和角度測(cè)量進(jìn)行快速測(cè)量的儀器，能夠直接獲取物體表面的天頂距、水平角、斜距，然后自動(dòng)計(jì)算得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]。其坐標(biāo)測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 點(diǎn)云測(cè)量原理

將X軸、Y軸形成的面規(guī)定為橫向掃描面，橫向掃描面與Z軸垂直。三維激光掃描系統(tǒng)主要由三部分組成：電源供應(yīng)系統(tǒng)、掃描儀、控制器。儀器通過(guò)兩個(gè)反射鏡快速運(yùn)轉(zhuǎn)，向測(cè)區(qū)發(fā)射激光脈沖，掃過(guò)整個(gè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)激光脈沖到物體的往返時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算距離[2]。并且利用時(shí)鐘控制編碼器測(cè)出激光縱向掃描角度觀測(cè)值θ和脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α，即可求得P點(diǎn)坐標(biāo)為:

XP=S*cosθ*cosα

YP=S*cosθ*sinα

(1)

ZP=S*sinθ

此時(shí)得到的P點(diǎn)坐標(biāo)以特定格式存儲(chǔ)，可用以下幾種軟件進(jìn)行讀取和處理：LMS-Z420等強(qiáng)大功能的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件、CYRAX2500的YCLONE軟件、 OPTEC的ILRIS-3D軟件[3]。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶有光學(xué)特征信息、高密集度、大數(shù)據(jù)量，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理即為復(fù)雜，處理流程見(jiàn)圖3。

2.1 數(shù)據(jù)獲取

由三維激光掃描再經(jīng)過(guò)可視化處理獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最常用的有長(zhǎng)距離和短距離兩種激光掃描儀，長(zhǎng)距離掃描儀常用于建筑測(cè)量、礦山測(cè)量、水利大壩測(cè)量。目前手持式FASTSCAN三維激光掃描儀、高精度VIVID910三維激光掃描儀都是短距離掃描儀。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：1.精度問(wèn)題。為了達(dá)到更高的建模精度，可以縮短掃描間距，設(shè)置在毫米級(jí)，那么間距越小，精度則越高。2.完整性問(wèn)題。為了得到掃描物體的全貌，應(yīng)盡量選擇周邊地物遮擋少、視野開(kāi)闊的位置進(jìn)行測(cè)量。3.重疊性問(wèn)題。為了提高內(nèi)業(yè)處理時(shí)的精度，需要讓點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間有一定的重疊度，應(yīng)盡量在3個(gè)以上的銜接點(diǎn)再進(jìn)行拼接。因?yàn)槿c(diǎn)形成的圖形穩(wěn)固了點(diǎn)在三維空間上的幾何強(qiáng)度。

2.2 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

利用四元數(shù)配準(zhǔn)法[3]，通過(guò)計(jì)算特征向量，進(jìn)而推算出旋轉(zhuǎn)矩陣，確定平移向量進(jìn)行配準(zhǔn)，如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

2.3 表面特征提取

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表面特征提取非常關(guān)鍵，其主要包括三角網(wǎng)建立、數(shù)據(jù)的分割、數(shù)據(jù)的縮減、曲面擬合等內(nèi)容。利用臨近區(qū)域切平面投影建立三角網(wǎng)格；數(shù)據(jù)的分割即先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，再進(jìn)行平面的擬合；數(shù)據(jù)的縮減即確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的長(zhǎng)方體，細(xì)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維邊界框；曲面擬合即一般自有參數(shù)化曲線和曲面的基本形式和擬合[4]。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

2.4 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理過(guò)程

基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)課通過(guò)三維圖形可視化、工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理建立可用的三維模型。三維可視化軟件有DIRECT 3D接口、OPENGL接口、AUTOCAD平臺(tái)。三維實(shí)體建模的實(shí)現(xiàn)方法有：邊界表示法、混合模式、構(gòu)造立體幾何法、八叉樹(shù)表示法。

3 項(xiàng)目實(shí)例

以新建鐵路成都至貴陽(yáng)的一段滑坡重點(diǎn)闡述點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic中的處理過(guò)程，通過(guò)三維激光掃描共553 358個(gè)點(diǎn)，由于點(diǎn)過(guò)于密集，因此調(diào)整采樣為33%比例得到圖4。

圖4 調(diào)整采樣比例后的滑坡圖

由圖4看出此時(shí)點(diǎn)數(shù)為182 608個(gè)，但是滑坡掃描的模型未變，為后續(xù)處理帶來(lái)便利。由于儀器、天氣、環(huán)境等因素，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)中產(chǎn)生多出噪聲點(diǎn)，而噪聲點(diǎn)會(huì)使滑坡的外形準(zhǔn)確反映出來(lái)，為了后續(xù)的處理工作，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)通過(guò)geomagic進(jìn)行消除，如圖5、圖6所示：

圖5去噪前滑坡 圖6去噪后滑坡

由圖5可看出紅色點(diǎn)為噪聲點(diǎn)，共10 407個(gè)，為了去除盡可能多的噪聲點(diǎn)，需要重復(fù)做三次，圖6為去除噪聲后的效果圖。噪聲去除后，可用108 810個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝即可得到三維模型圖，可以看出在灰色陰影區(qū)域都有不同程度的滑坡現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 滑坡三維模型圖

4 總 結(jié)

通過(guò)對(duì)三維激光掃描原理的介紹，三維激光掃描儀最大的優(yōu)勢(shì)是非接觸的測(cè)量方法對(duì)復(fù)雜物體進(jìn)行測(cè)量，直接得到物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再重構(gòu)出任意曲面。驗(yàn)證了點(diǎn)云數(shù)據(jù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。三維激光掃描測(cè)量是測(cè)量的一種手段，在參加測(cè)量項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)多注意整體流程和相關(guān)細(xì)節(jié)，爭(zhēng)取對(duì)一些測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行改進(jìn)。在將來(lái)的工作中，應(yīng)繼續(xù)研究三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)測(cè)量的結(jié)合，將區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一到一個(gè)整體坐標(biāo)系中，會(huì)得到更好的精度。