基于激光點云數(shù)據(jù)的沙堆體積測量方法研究

姜永男，李樹坤

（寧波市正源測繪有限公司，浙江寧波315200）

1 引言

三維激光掃描技術(shù)在國際上已經(jīng)得到了長足發(fā)展，隨著工程測量土方量計算、變形監(jiān)測等領(lǐng)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(yīng)用。在國內(nèi)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(shù)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(shù)應(yīng)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(jìn)行了基于三維激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的可行性研究。目前，國內(nèi)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用還不是很普及，三維激光掃描是獲取物體三維數(shù)據(jù)的一項重要技術(shù)，有著很廣泛的發(fā)展前景。

2 激光點云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，依據(jù)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(shè)置為1cm，本次掃描決定共設(shè)立4站，由于各站掃描數(shù)據(jù)是相互獨立的，為滿足后續(xù)的點云拼接，本次掃描共設(shè)立4個標(biāo)靶。標(biāo)靶的放置在一個穩(wěn)定的位置，以防止標(biāo)靶晃動，同時確保這4個標(biāo)靶每站可視。

2.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用徠卡C10配套的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件完成拼接得到完整的沙堆點云。使用基于標(biāo)靶的拼接模式，經(jīng)去噪和點云均一化處理后的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1預(yù)處理后的沙堆點云數(shù)據(jù)

3 沙堆體積求算

3.1 用Geomagic軟件進(jìn)行求算

把Cyclone軟件處理后的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Geomagic軟件中，由于導(dǎo)入的數(shù)據(jù)呈黑色，無法辨別邊界，對點云數(shù)據(jù)的處理存在難度，需先給點云數(shù)據(jù)著色。此外，點云數(shù)據(jù)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(dāng)然也可以根據(jù)快捷鍵進(jìn)行手動去除。

為了得到更加光滑的曲面，在Geomagic軟件中進(jìn)行去噪處理，參數(shù)選擇“自由曲面形狀”，偏差限制為0.005m，迭代為1。進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣及數(shù)據(jù)封裝，將點云數(shù)據(jù)封裝成三角形網(wǎng)格，創(chuàng)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(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。這里選擇系統(tǒng)平面，位置度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，然后單擊“確定”鍵，得到模型體積（圖2），本實驗設(shè)置4個不同的Z值獲得4個不同的體積。

圖2 模型體積

3.2 Surfer軟件求算體積

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

進(jìn)行體積求算單擊菜單欄中的“網(wǎng)格”→“體積”項，在彈出的對話框中選擇新生成的grd類型的數(shù)據(jù)文件，然后在彈出的“網(wǎng)格體積”對話框中設(shè)置上下表面的參數(shù)。這里的上表面選網(wǎng)格文件，下表面Z值根據(jù)采集數(shù)據(jù)Z值進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)后，生成模型的體積報告（圖3）。

圖3 體積報告

3.3 Cyclone軟件求算體積

首先選擇點云建立TIN，TIN是指不規(guī)則的三角形三角化網(wǎng)絡(luò)。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(guī)則的或不規(guī)則分布的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行三角建網(wǎng)，當(dāng)整個區(qū)域TIN網(wǎng)絡(luò)建立之后，就可以進(jìn)行進(jìn)一步的TIN?數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等。接著定義參考面，定義參考面是指根據(jù)具體需要設(shè)置一個基準(zhǔn)面，然后求算點云數(shù)據(jù)到該參考面的體積、表面積等。

Cyclone軟件提供設(shè)置任意參考面的功能，這里設(shè)置XY面為一個參考平面，然后通過設(shè)置Z值來改變參考面的位置，進(jìn)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）。

圖4 體積顯示

4 數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 點云數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

根據(jù)三種軟件的性能，設(shè)置不同的平面來計算點云數(shù)據(jù)到該平面的體積。平面的設(shè)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(xiàn)該平面的調(diào)動。這里設(shè)定XY面為一個平面，然后通過設(shè)定Z值來實現(xiàn)XY面的升降，從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)到四個不同的XY面的體積。為了去除地面起伏對結(jié)果的影響，設(shè)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(yīng)的數(shù)據(jù)處理見表1。

表1 體積及相關(guān)計算

4.2 比較與分析

為滿足實際應(yīng)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(jìn)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(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇不同的軟件進(jìn)行沙堆的體積求算，進(jìn)而提高效率及效益。

表2 軟件性能對比

5 結(jié)語

本論文是關(guān)于利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取不規(guī)則堆體的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)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(jīng)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(yīng)用于工程領(lǐng)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。