基于三維建模的數(shù)字露頭開發(fā)與開發(fā)應用

陳威

（長江大學地球科學學院，湖北 武漢430100）

三維立體顯示是當今世界各國大力發(fā)展的新型顯示技術，它的誕生與發(fā)展正在吸引越來越多人的關注，近年來，三維立體顯示在醫(yī)療，軍事，電視廣播，視頻游戲，教育，體育等諸多領域。三維顯示技術也逐漸走向計算機終端，平板電腦終端，移動手機終端。因此三維立體顯示與地質學相結合應用于地質調查領域也逐漸成為國內外的重要方向。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 采集方法

數(shù)據(jù)采集主要采用的技術手段為激光雷達數(shù)據(jù)采集技術，目前所存在的激光雷達主要分為機載激光雷達，車載激光雷達，星載激光雷達以及地面激光雷達四種類型。機載激光雷達即飛機搭載激光雷達，其主要特點是利用飛機或直升機等飛行器搭載激光雷達設備對目標進行掃描和數(shù)據(jù)采集，其精度可達10cm 左右，適用于地面測繪，水利工程，農業(yè)，林業(yè)以及城市規(guī)劃等領域。車載激光雷達，即汽車搭載激光雷達，主要適用于地物側面掃描和數(shù)據(jù)的采集，其精度可達每平方米數(shù)百個點。星載激光雷達即衛(wèi)星搭載激光雷達，主要適用于海岸線變化，冰川變化監(jiān)測，全球植被變化研究等諸多領域。地面激光雷達即在地面固定激光站點對目標進行掃描，精度達到毫米級別，每平方米可以有接近一萬個數(shù)據(jù)點，廣泛應用于建筑，考古，工業(yè)測量等方面。

1.2 數(shù)據(jù)采集設備的選擇

數(shù)字露頭主要用于地質調研和考察，因此對精度要求較高，對比目前常用的激光雷達設備，地面激光雷達更適合作為數(shù)字露頭數(shù)據(jù)采集設備。

RIEGL VZ400 三維激光掃描儀RIEGL 公司供應，具有精度高，攜帶方便，數(shù)據(jù)采集速度快等優(yōu)勢，因此三維激光雷達設備選擇該設備。

1.3 數(shù)據(jù)采集設備準備

RIEGL vz400 主機：內置存儲器32G；可連接U 盤存儲器便于數(shù)據(jù)傳輸；天線：與筆記本無線連接，短天線50 米以內；長天線50-100 米；數(shù)據(jù)傳輸與采集筆記本有線連接；電源線：交流電源（室內）；電池（室內或室外）；電池充電器；GPS：內置GPS 精度米級；采用點測差分GPS；三腳架；標靶；相機。

1.4 三維激光數(shù)據(jù)采集

掃描站點設置：

將三維激光雷達按照如圖進行布置，對目標露頭進行掃描，通過掃描收集地質露頭返回的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)露頭的長度和寬度選擇適當?shù)膾呙杈嚯x，并選擇適當?shù)膾呙椟c，通過如圖所示選擇數(shù)個距離相同的掃描點，對露頭進行完整覆蓋。

圖1 掃描站點布置圖

2 數(shù)據(jù)整理

三維激光雷達-RIEGL vz400 對露頭進行掃描后將點云數(shù)據(jù)進行存儲后，然后運用與激光雷達相匹配軟件Riscan Pro 對掃描獲得點云數(shù)據(jù)進行處理。首先將相關數(shù)據(jù)進行導入，由于數(shù)據(jù)內存較大，上傳時間可能存在較長的問題。由于露頭面積較大，所以點云數(shù)據(jù)由多個基站收集的多個部分組成，因此點云數(shù)據(jù)需要進行拼接，以形成整體露頭點云數(shù)據(jù)。對點云數(shù)據(jù)的拼接分為粗拼，精拼兩個部分。首先對數(shù)據(jù)進行第一步粗拼即以中間基站為原則，由兩邊站向中間基站進行拼接，本次拼接通常在現(xiàn)場完成。

首次粗拼主要目的是查漏補缺，如有發(fā)現(xiàn)存在漏站情況，及時補掃，保證掃描露頭點云數(shù)據(jù)的完整性。由于粗拼會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，需要進行第二次精細拼接。

精細拼接首先進行相關數(shù)據(jù)準備，將掃描的點云數(shù)據(jù)導入軟件中，然后進行data 選擇：選擇兩站全景點云。最后進行相關參數(shù)設置，根據(jù)不同精度需要設置相應參數(shù)。將各站點掃描點云數(shù)據(jù)進行拼接。精細拼接主要依靠由中心向外發(fā)射的球型投影模型原理進行拼接。數(shù)據(jù)導入以及相關參數(shù)設置好后進行拼接，精細拼接后的數(shù)據(jù)以.txt 文件格式進行保存，為下一步三維建模做好數(shù)據(jù)前提準備。

3 三維建模

本次三維建模軟件采用Geomagic Studio，該軟件具有簡化相應工作流程，提高工作效率，智能化程度高，兼容性強和支持多種格式等優(yōu)點。

圖2 精拼點云數(shù)據(jù)圖

（1）點云數(shù)據(jù)處理

由于激光雷達在掃描地質露頭時會產(chǎn)生一定程度的點云數(shù)據(jù)誤差和干擾，以及導入的點云數(shù)據(jù)密度并不一定是適合建模的點云數(shù)據(jù)密度，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行適當降噪和適當密度的采樣，最后對點云數(shù)據(jù)進行封裝使點云數(shù)據(jù)從點數(shù)據(jù)形態(tài)轉化為多邊形形態(tài)。

（2）多邊形修正

點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過封裝轉化為多邊形狀態(tài)，多邊形狀態(tài)下，模型由多個多邊形構成，多邊形之間存在空洞，因此通過補洞方式對多邊形進行優(yōu)化，使得模型完整。補洞方式分為單個填充和全部填充，全部填充對用于簡單模型，單個填充適用于對精度要求較高的模型。數(shù)字露頭較為復雜，且精度要求較高，因此選擇單個空逐步填充。

（3）曲面擬合

封裝后的模型從點云狀態(tài)轉化為曲面模型，但該模型存在模型邊界擬合不完整的問題，因此需手動對模型曲面進行補充擬合，以此達到完善模型的目的。

模型貼圖：

三維模型在Geomagic Studio 中完整封裝處理后導入ModelPainter 軟件進行最后的模型貼圖。ModelPainter 由武漢大勢智慧科技有限公司為解決三維模型紋理貼圖研發(fā)的專業(yè)軟件，實現(xiàn)了將二維光學影像映射到高精度三維模型上，并有效解決圖像銜接紋理接縫，圖像色差，變形等相應問題。

圖3 模型貼圖流程

通過貼圖大師軟件，對三維模型和露頭照片進行貼合，形成完整的數(shù)字露頭模型，如圖2，模型呈現(xiàn)三維狀態(tài)，且紋理清晰，并可從多角度進行觀察學習，其清晰度、精度可滿足相關學習和科研要求，達到了從地質數(shù)字露頭的三維虛擬可視化的目的。

4 結論

圖4 數(shù)字露頭模型成圖

數(shù)字露頭在地質調查中的應用不僅可以豐富調查方式，而且可以打破傳統(tǒng)調查方式桎梏，對方式方法進行創(chuàng)新。數(shù)字露頭的建立，不僅有利于地質調查質量的提高，而且研究人員可以充分利用數(shù)字露頭的可反復性，進行多次調查研究。數(shù)字露頭大大節(jié)約了調查成本，野外實地考察實習，對經(jīng)費要求較高，多用于交通，食宿以及地質設備的購買與損耗。數(shù)字露頭的應用不僅可以減少野外考察的次數(shù)，并且大大降低了地質調查的相關成本，同時，研究人員可以通過反復學習研究，對技術難點進行深入調研，逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)字露頭在地質勘探領域的實踐過程中具有較強的應用價值，若逐步推廣應用到國內各地礦單位進行實踐，必將大大改善地質勘探與開發(fā)應用環(huán)境，提高相關效率和質量。