三維激光掃描課程的三維建模實驗教學方法研究

李峰 孫廣通 錢安 王秋玲

摘 要：三維激光掃描技術已經開始大量應用于國民經濟建設的各個領域，但作為新興課程剛在各高校中開展教學活動，為了更好地服務于三維激光掃描課程的理論教學活動，本文從三維激光掃描儀參數設置和操作方法開始介紹了激光掃描點云采集實驗、激光點云配準方法，著重論述了激光點云的復雜曲面和建筑物實體三維建模的實驗方法，這些實驗教學方案的實施有利促進了測繪工程專業本科生的綜合實踐操作技能的提升。

關鍵詞：三維激光掃描；三維建模；實驗教學

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.217

0 引言

《三維激光掃描》課程是針對精細三維模型在城市規劃、建筑設計、房產管理、文物保護等領域中的重要用途而開設[1]，但是目前使用地面三維激光掃描儀采集海量激光點云進行自動建模的方法尚不成熟，因為激光點云以三維離散點的方式在空間分布，所以直接通過二維繪圖的方法繪制點云實體模型會產生嚴重的位置偏差。作為新興課程其理論發展緩慢，多以上機實驗掌握激光點云的建模方法為主[2]。針對規則實體的建筑物建模一般選用3dsMax、Microstation、AutoCAD、Sketchup等軟件實現，而對具有曲面分布點云的建模一般通過構建三角網的方式來完成，在激光點云曲面建模方面Geomagic Wrap軟件功能強大，編輯靈活，操作方便，在實際實驗課上應用最多。針對《三維激光掃描》課程中實驗實施內容和過程中存在的問題，本文著重介紹激光點云的數據采集、復雜曲面實體和建筑物建模的教學方法，為該課程的建設提供參考實例。

1 激光點云數據的采集實驗

地面三維激光掃描儀與傳統的測繪儀器（如經緯儀、水準儀、全站儀）在外形、原理和操作方法上有較大的差異，但該儀器起源于傳統的測繪儀器（如免棱鏡的全站儀），因此，在進行激光掃描實驗之前，教師有必要向測繪工程專業學生說明地面三維激光掃描儀的工作原理、數據采集的模式以及與傳統測繪儀器的異同點。在此基礎上，向學生介紹地面激光掃描儀的架站方法、對中整平方法、單反相機安置方式、電纜和電池的安裝方法等基本部件的組裝方法，激光掃描儀的長距和高速掃描模式的選擇方法、激光點云密度的設置方法、單反相機的曝光模式（如光圈、曝光速度）、拍攝相片的重疊度；向學生講解使用電纜或無線WiFi連接掃描儀與筆記本電腦的方法、不使用筆記本電腦直接采用激光掃描儀的方法；向學生說明掃描過程中的一些注意事項，如不要觸碰三腳架、不要遮擋到所采集地物的激光掃描儀和相機的視場角、不要長時間用眼睛注視掃描儀發射的激光等，還有如何布設強反射標準板的方法；激光掃描完成后，向學生演示如何下載存儲激光點云和拍攝的RGB影像數據以及如何導入到激光掃描儀的后處理軟件中。一般情況下，一臺地面激光掃描儀的價格高達1百萬元，因此實驗室購置的地面激光掃描儀的數量通常不能滿足一個教學班的教學需求，實驗課上一般由教師進行演示操作，需要學生實驗小組在課余時間分批次地借激光掃描儀進行操作訓練。

采集地物的過程中往往需要采集多站激光點云數據，然后配準多站激光點云成為一個全面整體的實體數據，這個過程需要完成激光點云的粗配準和精配準2步操作[3]，下面以Riegl Riscan軟件4站激光點云為例進行說明。在粗配準操作中，以第1掃描站為基準站點，使用Riscan Pro軟件的粗配準功能在相鄰2站之間選擇4對強反射標志的圓心位置作為同名特征點對，經過平移和旋轉后將另一站激光點云數據配準到第1站上，同理可依次將第3、4站分別配準到第2、3站上，從而完成激光點云數據的粗配準工作。在精配準操作中，利用迭代最鄰近（Iterative Closest Point， ICP）算法在站點對應點云中搜尋最鄰近的同名點，根據最鄰近點解求剛體變換的旋轉和平移參數，這里仍然設置第1站為基準站，保持其位置和角度固定，只需要旋轉平移其余3站激光點云即可，通過最鄰近點對的不斷搜索和變換參數的迭代計算完成點云的精配準過程，各點云精配準的相對誤差控制在毫米精度以內。將精配準后的完整點云數據導出為*.wrl或*.las格式，然后導入到Geomagic Wrap軟件或Microstation V8i中顯示。

2 激光點云復雜曲面實體的建模實驗

不同的掃描對象對應不同的三維建模方法，對于復雜的曲面實體可采用Geomagic Wrap軟件進行三角網建模[4]。由于激光全景掃描過程中掃入了大量不需要的地物，因此首先需要對導入的激光點云進行裁剪操作得到大石頭的激光點云，為增強點云顯示效果對點云進行著色。教師通過上傳實驗的視頻、操作指導書到網絡課程資源平臺，先由學生課下預習，然后教師課上演示建模過程。具體需要演示的建模過程如下：1）通過“體外孤點”和“非連接項”刪除噪聲激光點云，對于少量點云空洞區域，利用“填充孔”功能添加少量激光點。2）使用“棱柱形（保守）”工具減少點云噪聲，使用“曲率采樣”的方式重采樣激光點。3）生成三角網后，仍需要“填充孔”工具修補模型孔洞，采用“去除特征”、“刪除釘狀物”和“砂紙”工具平滑對象表面，采用“網格醫生”命令修復多邊形缺陷，使用“用平面裁剪”和“伸出邊界”工具制作底部平臺。4）根據“紋理貼圖”功能，生成“生成紋理貼圖”，為對象的對應各個側面和頂面映射紋理圖像，其中紋理圖像需要提前在Photoshop軟件中進行斜切、圖像增強等編輯操作。

3 激光點云三維建筑物建模實驗

針對規則建筑物實體的建模方法，應采用傳統的建筑類設計和規劃軟件比較適合，本文選擇Microstation軟件進行建模實驗，該軟件具有二三維設計和激光點云導入功能，操作簡便，易于上手，適合本科生練習使用。首先，設計10個學時的時間教授該軟件的二維對象繪圖、三維位置精確繪圖、輔助坐標系、三維對象的精確繪圖、三維模型的高級編輯功能，促使學生掌握該軟件的基本繪圖、編輯和三維建模功能，以此為基礎，再花費4個學時的時間講解激光點云的三維建模方法，重點教授激光點云特征點捕捉方法、激光點云建筑物輪廓線繪制方法、輔助坐標系在點云繪圖中的應用、三維模型紋理映射、光照設置、渲染設置等操作方法，通過幾個三維模型繪制的實例將學生傳統的二維繪圖視野轉換到三維空間世界，這些實驗需要保證學生擁有充足的時間消化理解三維建筑物建模的原理和方法。

4 結束語

地面三維激光掃描儀作為測繪新技術已經在測繪相關的領域發揮了巨大作用，該課程教學活動已在高等學校中開展，通過介紹激光掃

描儀的采集方法，闡述基于激光點云的復雜實體曲面建模實驗實施方案，簡介了基于激光點云的三維建筑物建模實驗過程，豐富了三維激光掃描課程的三維建模實驗教學內容，提高了實驗教學的水平，增強了測繪工程專業本科生的實踐操作技能，為三維激光掃描課程的教學提供了實驗教學參考。

參考文獻：

[1]曲相屹，王偉，孫曉東等.三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用[J].山東工業技術，2016（22）：99.

[2]李峰，劉小陽，孫廣通等.三維激光掃描課程的教學實踐探索[J]. 科技視界，2017（16）：60+66.

[3]陳茂霖，盧維欣，萬幼川等.無附加信息的地面激光點云自動拼接方法[J].中國激光，2016（04）：212-220.

[4]李曉雙，宋彬，鄭丹.基于Geomagic的復雜實體三維點云建模研究[J].測繪與空間地理信息，2017（06）：130-132.

基金項目：防災科技學院精品建設課程項目（JPJS2018007）；中央高校基本科研業務費創新團隊計劃項目（ZY20160102）

作者簡介：李峰（1979-），男，副教授，博士，研究方向：激光點云處理、遙感。