淺析三維點云數據的預處理過程

王杏 王正偉 王丹

摘 要 隨著三維激光掃描技術的快速發展，使得獲取的三維點云數據的精度和規模越來越大，從而提高了對海量點云數據的存儲、編輯、預處理、特征的提取等相關技術的要求。但由于野外掃描環境的限制，使得獲取的點云數據不可避免地會產生像樹木、車輛等的噪聲和冗余數據。所以在實際的研究過程中，需要先對獲取的點云數據進行預處理之后，才能得到我們工程擬研究的對象，繼而才可對它作進一步的有限元分析。本文簡要介紹三維激光掃描數據處理流程及點云數據的配準和拼接、去噪和精簡、修復等預處理過程。

關鍵詞 三維 點云數據 處理

中圖分類號：TP391.41文獻標識碼：A

1三維激光掃描數據處理流程

三維激光掃描數據處理的主要過程包括：制定計劃、外業數據采集、內業數據處理三部分。首先需要制定可行和詳細的工作計劃，做好相應的準備。根據掃描對象和精度不同的要求，確定合適的掃描站點和路線，根據研究的對象和目的，選取合適的采樣密度、掃描儀距掃描實體的距離、設站數等等。外業數據采集的主要任務是采集點云數據、分析數據是否符合要求、進行初步的質量分析等幾個部分。內業數據處理在點云數據處理中是很關鍵的，也是工作量比較大的環節。主要包括顯示外業采集的原始數據、對點云數據進行規則網格化、配準、去噪、壓縮、建模、圖形圖像處理等。

2外業數據采集

不同的專業領域可根據自己的需求，采用不同的三維數據獲取方法、掃描儀器及相應的數據處理軟件和技術。例如在可視化地理信息系統中，獲取三維點云數據的方法主要通過戶外測量、攝影測量或從地形圖中進行采集;在醫學研究中，通過一系列的二維圖像獲取人體器官的三維點云模型，這些二維圖像主要有計算機斷層掃描CT、核磁共振MRT圖像等。本文研究主要是應用于建立工程結構有限元分析中的有限元模型，故選取戶外測量模式，儀器選用Optech公司ILRIS-3D儀器。

2.1掃描過程

本文研究的對象是位于貴州省貴陽市云巖區貴州師范大學寶山校區的毛主席像座基下的石墩。由于毛主席像旁邊都是建筑物，空地不是很大，所以按照現場的實際情況，確定每站距離目標物體的距離為25m左右，掃描分辨率確定為1/8（每360吧？000個點），掃描點距為10mm，共設三個站。其中，第一個站掃描了一次，第二個站和第三個站掃描了兩次，掃描對象和區域如圖1所示。

3內業數據處理過程及結果

3.1 點云數據生成

將三維激光掃描點云數據導入PolyWorks軟件，生成點云數據的原始模型。其中第一站的原始點云數據如圖2所示：

3.2點云去噪和粗簡

戶外測量采集到的點云中往往會有樹木或錯誤點，我們將它們統稱為噪聲點。這些噪聲點一般是由于設備標定的參數或外界環境的改變造成的，由含有噪聲的點云數據重構出來的模型可能會嚴重偏離實際物體，影響到檢測質量，所以需要通過去噪及平滑濾波等方法進行處理。對于規則的點云數據，通常可使用標準高斯算法、平均或中值濾波算法進行處理，其中高斯濾波能較好的保持原數據的外形，中值濾波能較好的消除冗余數據。

在三維激光掃描的過程中，大量無關點也掃入其中，這大大增加了點的數量。為了減少數據的運算量，利用PolyWorks軟件將毛主席像周邊的樹木、建筑物、電線等冗余噪聲去除，只留下目標物體—毛主席像及其座基下石墩的掃描數據，得到相對較少的點云數據。結果如圖3所示。

3.3點云配準

由于受到掃描設備和環境的限制，往往不能一次掃描到完整的點云模型，總需要經過多站測量，才能得到物體表面完整的點云數據。所以掃描完畢之后，首先要做的就是對這些多站掃描得到的局部點云數據進行配準和拼接。

點云配準方法是將不同站點和方向測得的點云數據，通過坐標轉換到同一坐標系下，獲取整體的點云模型。通常情況下是通過一定的算法或者數學規律，選取多視點云之間公共部分的點，從而得到幾片點云自動配準的結果。現目前的配準算法主要有迭代最近點算法（Iterative Closest Point，ICP）、基于曲面的配準算法和基于集合的特征配準算法。本節利用PolyWorks軟件將前面5次掃描得到的點云數據（如圖4），進行點云數據配準與拼接，得到的結果如圖5所示。

3.4點云精簡

當經過粗減后的點云數量還是十分巨大的時候，就有必要通過精簡過濾來去除冗余點，這樣不但可以減小存儲空間，還可以降低后期處理點云的時間。點云精簡的比例要在其誤差范圍內，否則會丟掉特征信息，特別是尖角、棱線和曲率變化大的區域。當點云類型為散亂點云數據時，可使用隨機采樣、均勻網格等方法實現簡化的目的;而掃描線與多邊形點云數據則應選用等間距縮減、倍率縮減等方法;網格點云數據應使用分布密度法與最小包圍區域法等方法進行簡化。

由于本文研究的是毛主席石像座基下的石墩，故還需進行點云數據精簡，將毛主席石像刪掉，刪掉之后的結果如圖6所示。

3.5修復模型

基本處理好的表面模型建立以后，由于掃描過程中，受到遮擋物的影響，致使模型的部分區域精度不高甚至缺失，需將精簡后的模型修復完整。修復后的點云模型如圖7所示：

4結束語

本文介紹了三維激光掃描儀的數據處理過程，主要包括制定計劃、外業數據采集和內業數據處理，本文最終獲取的石墩點云模型是利用polyworks軟件直接進行預處理，為下一步研究特征提取算法奠定了基礎，提供研究對象。

參考文獻

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