地面三維激光掃描技術在港口可視化的應用研究

牛作鵬（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

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地面三維激光掃描技術在港口可視化的應用研究

牛作鵬
（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

本文介紹了三維激光掃描技術的基本原理，以某港口工程為例，詳細說明應用地面三維激光掃描技術實現點云數據獲取、點云數據處理、三維模型構建的方法，驗證利用該技術進行港口可視化的可行性，解決常規測量技術在特殊領域的應用不足，為“數字港口”建設提供有力的技術支持。

地面三維激光掃描；點云；三維建模；可視化

引　言

“數字港口”是港口信息化建設的重要戰略目標，是以“數字地球”為引向、以港口應用為對象、以空間信息為依據的技術系統。測繪科學技術在基礎數據支持方面發揮著重要的作用，考慮到常規測量技術在特殊領域的應用不足，提出采用地面三維激光掃描技術進行空間信息的獲取。

三維激光掃描技術的發展為人們在空間信息獲取方面提供了全新的技術手段，它被譽為繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命［1］。三維激光掃描系統可分為地面激光掃描系統和機載激光掃描系統兩大類，該系統能夠非接觸地快速獲取復雜局部地區的空間信息，并迅速轉換成可以被計算機處理的信息數據。目前，三維激光掃描技術主要應用于三維模型構建、變形觀測、常規地形測繪、虛擬現實［2］等眾多領域，并積累了大量的成功案例，解決了傳統測繪方法在港口工程等特殊領域的應用不足。

本文基于三維激光掃描技術的工作原理，詳細論述該技術的作業流程，并以江蘇省句容市境內某港口工程為例，探索其空間信息獲取，進行港口地物三維建模及可視化應用研究。

1　地面三維激光掃描系統的工作原理

地面三維激光掃描系統由集成了后處理軟件、內置數碼相機以及附屬設備的三維激光掃描測量儀組成，該系統可以快速獲取物體表面每個點的空間坐標及顏色信息。但要完成此項工作，必須研究計算模型、誤差模型、誤差的傳遞和影響、誤差的消除和矯正，再確定有關的計算公式及相應的算法。它還包括數據預處理及后處理技術，如粗差探測、數據重采樣、數據鑲接等［3］。

三維激光掃描系統的工作原理基本分為3種：基于相位差測距、基于脈沖飛行時間測距和基于激光三角形。本文重點闡述基于相位差測距的工作原理，三維激光掃描儀通過對調制光波產生的相位延遲進行測量，計算光波往返于目標點之間的時間，進而獲取三維激光掃描儀與目標點之間的距離，再根據空間點位幾何關系解求點位空間地理坐標。該系統一般采用以其自身特定的坐標系統為基準的獨立坐標系，詳細定義如下：X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內垂直于X軸，Z軸在豎向掃描面內垂直于X軸和Y軸。如圖1所示。

圖1　地面三維激光掃描系統工作原理

2　作業流程

地面三維激光掃描系統的作業流程大致可以分為空間信息數據獲取和信息數據后處理兩部分。空間信息數據獲取主要包括點云數據獲取、點云數據質量分析和點云數據質量控制等內容；信息數據后處理主要包括點云濾波、不同站點數據配準、點云數據去冗、地物地貌數據獲取、三維建模和紋理貼圖等工作。

2.1空間信息數據獲取

首先對工作區周圍環境進行踏勘，確定三維激光掃描儀距離物體的大致距離及采樣密度，空間信息數據獲取不可盲目追求高密度，此舉將會增加現場掃測時間及難度，降低后期數據處理效率，展現不出三維激光掃描技術在快速信息數據獲取方面的優勢。因此，現場掃描盡可能參考如下作業準則：在保證所掃描的空間信息數據能夠覆蓋本工作區域的前提下，選擇盡量少布設掃描站，以減少數據冗余。對于地形復雜區域，還需對測區的地物及特殊地形進行拍攝照片，便于后期的內業處理，掃描站之間標靶的分布應以能獲得較好的坐標配準精度為原則，同時還需獲取標靶中心的施工坐標，用于后續多站數據的配準。

2.2點云數據配準及縮減

點云數據配準就是將不同角度所掃描的點云數據統一到一個坐標系統下。點云配準以后存在一定程度上的數據冗余，數據冗余占用大量的存儲空間，同時也降低數據后處理的質量和速度，因此要在不損失精度的前提下對數據進行去冗處理。

2.3地物地貌數據獲取

點云數據配準以后可以手工提取地物特征線（點），如道路邊界線、電線桿中心點、房屋輪廓線及房角點等。市場上多種品牌的地面三維激光掃描后處理軟件均可完成此項工作，并輔以專業繪圖軟件（如南方CASS、清華山維）完成地物繪制。目前還沒有相應的軟件能夠實現非地貌數據（例如樹木、植被及地物等）的自動剔除，均需要人工操作完成此項工作，本文擬采用美國Trimble的ReaLWorks Survey軟件完成人工剔除非地貌點云數據。

2.4三維建模

Application of appropriate ecological energy-saving technology in reconstruction design of existing buildings

三維建模是構建一定的數學模型實現幾何空間抽象描述、對象簡化和管理，可分為以下3種建模方式：通過三維軟件完成建模工作、通過儀器設備測量完成建模工作和通過圖像視頻完成建模工作［4～5］。相對于前兩種建模方式，通過圖像視頻完成建模具有自動化程度高、真實感強及成本低廉等優勢，因而具有廣泛的應用前景。本文采用美國Trimble公司旗下的SketchUp軟件完成港口三維建模工作。

2.5紋理貼圖

紋理貼圖又稱紋理映射，是用函數、圖像和其它數據源通過一定算法將一幅圖像貼到三維物體的表面上，并輔以燈光、陰影和圖像混合等渲染技術，生成許多非常漂亮的場景效果，以此增強真實感。

3　案例分析

基于上述原理和工作流程，選擇江蘇省句容市境內的長江某港口工程為例，進行三維激光掃描數據采集和處理。本文所做的三維數據采集利用的是美國Trimble公司的TX5地面三維激光掃描系統，后處理軟件用的是Real Works Survey軟件，三維建模采用美國Trimble公司旗下的Sketch Up軟件，現場大地坐標標記點由Trimble R8進行坐標的量測，量測精度滿足規范要求。

3.1點云數據獲取

采用Trimble TX5地面三維激光掃描系統進行數據采集。TX5的主要技術指標：采用相位式測距法；掃描速度976 000點/s；測程范圍0.6～120m；視場角水平360°，豎直300°；測距誤差±2 mm。

根據測區的特點和周圍環境確定測站數為7站，涵蓋了碼頭上大部分構筑物，整體點云效果如圖2所示。由于分站掃描，所以在實地放置了配準球，并由Trimble R8進行坐標的量測，以做后期數據拼接配準使用。

圖2　局部點云效果

3.2點云數據處理

原始點云數據中存在大量非地貌數據，該部分數據的存在導致正確信息無法提取，需進行點云濾波處理。本文采用Trimble Real Works Survey中的點云濾波工具完成去噪操作，濾波單元間隔設置為1m，將水平面作為參考濾波平面進行迭代線性最小二乘內插模型殘差法濾波計算，而對于噪聲較大的數據需要進行手工剔除。

本文采取特征點配準的方法，將點云數據配準到施工坐標系下，采用Trimble R8進行現場標記點坐標的量測。特征點的選取應優先采用目標反射物，或者較為明顯的構筑物特征點。值得注意的是，因點云數據有少量缺失，則利用了同名點對進行配準，同時輔以手工進行配準。

3.3三維建模及可視化

點云數據中難以表達局部特征，需要手工對掃描體進行模型構建［6］，筆者借助Auto CAD和Sketch Up軟件基于外業獲取的點云數據，完成掃測區域內建（構）筑物的三維建模及紋理貼圖工作，如圖3和圖4所示。此項工作的完成可滿足本公司設計人員與業主即時交流的需要，使得設計人員可以直接在電腦上進行十分直觀的構思。

圖3　基于Sketch Up生成的三維模型（局部）

圖4　基于Sketch Up生成的三維模型

可視化是指在計算機屏幕上顯示并進行人機交互三維數據的過程，用戶通過人機交互操作可以選擇并處理計算機屏幕上的三維數據，以幫助用戶在多方位、多角度及不同距離的視圖下對其進行全方位的分析瀏覽。將Sketch Up軟件建立的模型導入Lumion可視化軟件中，可充分結合Lumion可視化的高效性和Sketch Up繪圖的高自由度，快速直接的創建虛擬現實（圖5），增強用戶與數據、模型之間的交互操作性能。

圖5　碼頭不同角度三維可視化

Lumion是荷蘭ACT-3D公司發布的一個將高效和快速的工作流程集成在一起并可實時三維可視化的軟件，通過Lumion可視化軟件，用戶可以將Sketch Up以及其它格式的3D數據導入Lumion可視化軟件中創建逼真的虛擬現實環境，然后通過圖像處理器高速渲染的方式制作漫游動畫，Lumion可視化軟件大幅降低了漫游動畫制作成本，同時展現出高質量的可視化效果。

4　結　語

本文以江蘇省句容市境內的某碼頭工程為例，闡述了利用點云數據構建三維模型的作業流程，研究發現基于高精度點云數據并輔以相應的建模軟件，可以快速構建三維仿真模型，實現三維可視化，直觀便捷的展現效果降低了現場各方人員之間的溝通成本和出錯概率，提升各專業人員的協同工作效率，為原始數據獲取提供了一種嶄新的技術手段，解決了常規測繪技術在特殊領域的應用不足，為三維激光掃描技術在“數字港口”中的建設應用初步探索了一套全新方法。

基于點云數據的建筑物三維建模，一定程度上保證了建筑物三維模型的精度，增強建筑物三維模型空間地理信息的可靠性，并可高質量的展現港口內主要設備設施的可視化效果。同時，在建筑物三維建模方面，基于點云數據實現自動提取不規則邊界信息還需要進一步研究和完善。

［1］董秀軍.三維激光掃描技術及其工程應用研究［D］.成都：成都理工大學，2007.

［2］惠增宏.激光三維掃描重建技術及其在工程中的應用［D］.西安：西北工業大學，2002.

［3］李必軍，方志祥，任娟.從激光掃描數據中進行建筑物特征提取研究［J］.武漢大學學報（信息科學版），2003，28（1）：65-70.

［4］紀勇，李孝雁.三維激光掃描技術在水利工程建設中的應用［J］.黃河水利職業技術學院學報，2008，20（1）：23-25.

［5］劉春，楊偉.三維激光掃描對構筑物的采集和空間建模［J］.工程勘察，2006，（4） ：49-53.

［6］趙小平，劉文龍，高紹偉.基于三維激光掃描技術的校園可視化［J］.測繪通報，2011，（8）：45-47.

［7］洪德法，楊國東，王志恒.基于 Arc Scene 和 Sketch Up的虛擬校園的建立［J］.計算機技術與發展，2008，（12）：41-43.

［8］Sui Lichun.Processing of Laser Scanner Data and Extraction of Structure Lines Using Methods of the Image Processing［J］.測繪學報，2004，33（1）：63-70.

Research on Application of Ground 3D Laser Scanning in Harbor Visualization

Niu Zuopeng
（CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430071，China）

An introduction to basic principles of 3D laser scanning technique has been given to describe in detail the application of ground 3D laser scanning technique in the acquisition and processing of point clouds data，and 3d modeling on the basis of one harbor project.In addition，the feasibility of harbor visualization by using the technique has been verified.The above technique will solve the limitation of conventional surveying technique for some special fields，and support the construction of digitized harbor well.

ground three-dimensional laser scanning； point clouds； 3D modeling； visualization

P225.2

A

1004-9592（2016）04-0101-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160425

2015-11-26

牛作鵬（1985-），男，工程師，主要從事測繪新技術研究工作。