基于激光點云數據的沙堆體積測量方法研究

姜永男+李樹坤

【摘 要】介紹利用三維激光掃描儀獲取點云數據方法，闡述了Surfer、Geomagic和Cyclone軟件求算沙堆體積的技術方法，并對精度對比分析，利用激光點云數據測量沙堆體積技術方法是可行的。

【Abstract】This paper introduces the method of acquiring point cloud data by using 3D laser scanner. It expounds the technical method of calculating sand volume by Surfer， Geomagic and Cyclone software， and makes a comparative analysis of accuracy. It is feasible to use the laser point cloud data to measure the volume of the sand pile.

【關鍵詞】激光點云數據；三維激光掃描儀；沙堆體積；精度

【Keywords】 laser point cloud data； 3D laser scanner； sand pile volume； precision

【中圖分類號】P21 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）02-0161-02

1 引言

三維激光掃描技術在國際上已經得到了長足發展，隨著工程測量土方量計算、變形監測等領域的需求越來越大，越來越多的人也開始研究其在體積求算等方面的應用。在國內主要有：蘇春艷等[1]利用三維激光掃描儀對大面積的堆積體，精確計算出體積。利用三維激光掃描技術獲取的土方量精度高且效率快。李濱等得出將三維激光掃描技術應用在工程測量的土方計算中的方案是完全可行的。熊妮娜等以松油為例進行了基于三維激光掃描系統測量樹冠體積方法的可行性研究。目前，國內三維激光掃描技術的應用還不是很普及，三維激光掃描是獲取物體三維數據的一項重要技術，有著很廣泛的發展前景。

2 激光點云數據獲取與預處理

2.1 數據獲取方法

選擇某建筑工地的施工場所旁的沙堆，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點云數據，依據沙堆的形狀確定測站的位置，儀器至沙堆表面的距離大概10m左右，掃描分辨率設置為1cm，本次掃描決定共設立4站，由于各站掃描數據是相互獨立的，為滿足后續的點云拼接，本次掃描共設立4個標靶。標靶的放置在一個穩定的位置，以防止標靶晃動，同時確保這4個標靶每站可視。

2.2 點云數據預處理

本次使用徠卡C10配套的數據處理軟件Cyclone8.0。將掃描數據導入Cyclone軟件完成拼接得到完整的沙堆點云。使用基于標靶的拼接模式，經去噪和點云均一化處理后的點云數據如圖1所示。

3 沙堆體積求算

3.1 用Geomagic軟件進行求算

把Cyclone軟件處理后的數據文件導入Geomagic軟件中，由于導入的數據呈黑色，無法辨別邊界，對點云數據的處理存在難度，需先給點云數據著色。此外，點云數據中存在一些明顯偏離的噪音點 ，需去除體外孤點及非連接項，當然也可以根據快捷鍵進行手動去除。

為了得到更加光滑的曲面，在Geomagic軟件中進行去噪處理，參數選擇“自由曲面形狀”，偏差限制為0.005m，迭代為1。進行數據采樣及數據封裝，將點云數據封裝成三角形網格，創建流型刪除模型中的非流型三角形。

體積求算有兩種方法，第一：單擊“分析”→“計算” →“計算體積”項直接求取體積；第二：單擊“分析”→“計算” →“計算體積到平面”項并進行相應的設置。這里選擇系統平面，位置度可以根據需要進行調整，然后單擊“確定”鍵，得到模型體積（圖2），本實驗設置4個不同的Z值獲得4個不同的體積。

3.2 Surfer軟件求算體積

首先進行數據格式轉換，由于Surfer8.0軟件處理的是grd類型的數據文件，所以需要先把Cyclone軟件輸出的xyz類型的數據文件轉換成grd類型的數據文件。打開Surfer8.0軟件，選擇從Cyclone軟件中處理后的數據文件，文件類型選擇“所有文件”。之后在彈出的對話框中根據需要進行設置并查看數據，如果數據沒問題，則完成數據文件的類型轉換。

進行體積求算單擊菜單欄中的“網格”→“體積”項，在彈出的對話框中選擇新生成的grd類型的數據文件，然后在彈出的“網格體積”對話框中設置上下表面的參數。這里的上表面選網格文件，下表面Z值根據采集數據Z值進行調整，確認后，生成模型的體積報告（圖3）。

3.3 Cyclone軟件求算體積

首先選擇點云建立TIN，TIN是指不規則的三角形三角化網絡。它是用一系列互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來表示地形表面，即可以對已采集的規則的或不規則分布的地理數據進行三角建網，當整個區域TIN網絡建立之后，就可以進行進一步的TIN？數據處理和應用等。接著定義參考面，定義參考面是指根據具體需要設置一個基準面，然后求算點云數據到該參考面的體積、表面積等。

Cyclone軟件提供設置任意參考面的功能，這里設置XY面為一個參考平面，然后通過設置Z值來改變參考面的位置，進而求取點云到該平面的體積。最后體積求算，求取點云到參考面的體積。先選擇點云，然后單擊“Tools”→“Measure” →“TIN Volume”項，求算出體積（圖4）。

4 數據處理及分析

4.1 點云數據的統計

根據三種軟件的性能，設置不同的平面來計算點云數據到該平面的體積。平面的設置可以通過XYZ中的任兩個確定一個平面，然后通過改變另一個的值來實現該平面的調動。這里設定XY面為一個平面，然后通過設定Z值來實現XY面的升降，從而實現點云到不同的XY面的體積求算工作。

通過改變Z值求取點云數據到四個不同的XY面的體積。為了去除地面起伏對結果的影響，設置的Z值要比地面上點云最大的Z值大一點，使堆體的底面呈一個平行于XY面的平面，這里再取三個Z值-1.600m、-1.550m和-1.500m以便對比分析，去除特例情況。三種軟件在不同Z值時求算的體積及相應的數據處理見表1。

4.2 比較與分析

為滿足實際應用的需要，從求算體積的可行性、操作的難易程度和體積求算的精度等幾個方面進行分析。三種軟件在求算相同大小獨立體體積時的性能見表2。應用中可以根據需要選擇不同的軟件進行沙堆的體積求算，進而提高效率及效益。

5 結語

本論文是關于利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取不規則堆體的點云數據，經Cyclone軟件先期處理，然后運用Surfer8.0、Geomagic和Cyclone三種軟件分別求取的沙堆體積。經過分析研究，基于徠卡C10的沙堆體積快速測量的方案是完全可行的，其可以應用于工程領域的土方量和體積等方面，不僅可以保證精度，而且可以提高效率，解放勞動力。

【參考文獻】

【1】蘇春艷，隋立春.基于三維激光掃描技術的土方量快速測量[J].測繪技術裝備，2014，16（2）：49-52.endprint