基于三維激光掃描儀的點云采集及處理研究

郭柏希

摘要：伴隨著科學技術的不斷發展和進步，三維激光掃描技術在越來越多的領域中得到了廣泛應用，本文以吉林省長春市某小區為例，闡明了采用三維激光掃描技術從項目起始的數據采集到最終的3D模型建成的全過程，并分析了與傳統測量模式相比，三維激光掃描技術各方面的優勢，為日后三維激光掃描技術在更廣闊的領域內得以使用提供了參考。

關鍵詞三維激光；點云；數據采集；數據處理

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是近些年來出現的新技術，也是在測繪領域內繼GPS技術之后的一又次技術革命，與以往傳統的單點測量不同，三維激光掃描儀可以提供被掃描物體表面的三維點云數據，具有高精度、高效率的特點，因此在現代測量領域得到廣泛應用。利用三維激光掃描儀激光測距的原理，儀器可以快速復制出數以萬計的被掃描物體的點位信息及紋理信息，因此，與傳統測量的單點測量模式相比，三維激光掃描技術有著實質性的突破。目前，三維激光掃描技術在文物古跡保護、建筑、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等領域均得到廣泛應用。

1.點云數據外業采集

1.1點云采集常用方法

點云數據采集的方法多種多樣，隨著技術的不斷發展及提升，目前比較常用的點云采集方法有：配合GPS、全站儀采集法、直接設站法。第一種方法由于可以套人全站儀、GPS的點位三維坐標數據，從而把點云數據引入全局坐標系，故其點云數據都是可以直接使用的真三維坐標，因此該方法與直接設站法相比在實際應用中得到廣泛運用。

1.2設站注意事項

以吉林省長春市凈月區某高檔別墅區三維激光掃描工作為例，使用Z+FIMAGERS010C三維激光掃描儀，在設站進行三維激光掃描工作時應注意以下問題：

（1）設站之前應先規劃出路線草圖并實地勘察，確保測站間相互通視并且遮擋物較少，制定恰當的掃描路線，避免架設多余測站，或對同一物體重復掃描。

（2）儀器應架設在穩定且沒有震動的地方，以免儀器在高速運轉的工作過程中出現因儀器架設不穩而引起的點云數據失真，三維激光掃描儀每秒掃描數據點萬余個，如果工作過程中出現移動或震動，勢必對后續點云數據拼接產生影響從而增加工作量。

（3）根據數據拼接要求，測站間至少要有3個共同的標靶點才能完成點云數據拼接并確定點云空間位置，所以在標靶設置時，應確保滿足任意兩相鄰測站之間有3個或以上共同標靶，以便于測站間數據拼接。

（4）在每一測站掃描完成后，應檢查掃描的點云數據完整性及標靶球完整性，如有遺漏或缺失區域，應對局部區域進行補測，從而確保點云數據的拼接。

（5）繪制設站草圖，標明標靶位置，有利于后續的拼接操作。在進行拼接操作的時候，如果有草圖，可以更直接地找到拼接對象的位置，在拼接出現問題的時候也可以更直觀地找到問題所在。

1 3標靶球擺放注意事項

標靶的擺放位置應適中，一般相鄰兩個測站之間的距離在80m-100m，所以標靶應置于距離測站40m～50m處；標靶球的擺放應避免形成一條直線，以便后續測站問的點云數據拼接；標靶應盡量避免置于被測物體表面，尤其是對小件重要物體的掃描，對后期點云數據的處理影響較大；標靶應避免置于反射能力較強物體周圍，以免對標靶的掃描受到影響。

1.4圖像采集注意事項

圖像采集工作對于只需要提供點云數據的工作無影響，但是對于后期需要建模或者提供帶RGB信息的點云數據有較大影響。一般采用Photoshop軟件對采集的圖片進行處理，利用z+FIMAGER5010C自帶的z+FLaserControl、3ds Max AutoCAD等建模工具進行建模。采集照片時，人工采集圖片應做到在被拍物體正面取像，避免遮擋，近景和遠景組合拍照，這樣才能將所拍攝的圖片更好的應用到模型上，如果儀器自帶圖像采集功能，注意不要遮擋鏡頭，以免給后續圖像處理工作帶來額外工作量。

2.點云數據內業處理

點云數據處理的步驟一般分為去噪、精簡、分割、配準、建立模型和貼紋理等。

（1）點云去噪。由于三維激光掃描儀在工作過程中360。無死角全方位掃描，因此以測站為中心所有的地物數據都會被記錄下來，如需對點云數據進行拼接等后續處理，為加快拼接及數據處理速度，需將與目標建筑物不相關的點云刪除，只留下相關的點云信息，在測站A掃描到的數據如圖1所示。為便于配準及后續點云數據拼接，在圖1的基礎上還需進行細化去噪處理，去噪后如圖2所示。

（2）點云數據拼接。常見的點云拼接方法有標靶拼接、坐標拼接兩種方式。以Z+FIMAGER5010C為例，理想狀態下的拼接精度可達到0.1mm，坐標拼接由于要手動選取特征點，因此人為因素會間接造成誤差加大，從而引發數據超限，本次實驗采用標靶拼接的方式，如圖3所示，z+FLaser-Control可實現標靶球自動配準中心，從而降低點云數據拼接誤差，提高拼接精度。

（3）點云建模。常見的點云數據建模方法有兩種，一種是利用三維激光掃描儀自帶的點云數據處理軟件進行建模，以Z+F Laser Control為例，模型精度極高，但是，缺點也相當明顯，相對于專業建模軟件，自帶點云處理軟件建模效率較低，無法貼人紋理圖片，導致最終建成的模型缺乏真實感和生動性。此次采用第三方軟件3dsMax進行建模，紋理貼圖后建模成果如圖4所示。

在使用3dsMax建模時應注意要注意點云的選取，對重點目標物建立精模，次要部分做簡模。在材質制作過程中，要注意對前期照片的加工和處理，避免由于光照、色差、對比度等因素的影響而造成的同一物體顏色不同或明暗程度不同等問題。從而確保模型在視覺上立體、直觀、真實。另一種建模手段是利用Geomagic建模，該軟件直接使用點云數據同樣具備較高的建模效率，并且可以確保模型精度，但有其局限性。如果目標物體結構復雜，由于軟件擬合后的面數較多，最終會導致導人或導出時發生長時間卡頓影響工作效率，因此還需根據實際工作需要來選擇建模方式。以外，以上3種建模方式可以相互結合使用，并不產生沖突。

3.與傳統測量方式對比

與傳統測量方式對比，三維激光掃描儀優勢明顯，不論是在普通地形地貌地區還是在較復雜的地表信息上測量，三維激光掃描儀都可以一次性快速的完成掃描，并且能夠保證精度。三維激光掃描儀與傳統測量方式性能對比情況如表1。

4.結束語

本文以吉林省長春市某高檔別墅區為例，對三維激光掃描工作的內外業各項操作過程進行了探討，并給出具體設計方案。詳細闡述了三維激光掃描儀的數據獲取、處理、建模過程，提出了多種建模手段相結合使用的新方法，旨在為三維激光掃描技術提供基本的技術支持，為三維激光掃描行業將來的發展提供思路，從而促進三維激光掃描技術的應用和發展。