利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)求取假山表面積方法研究

毛 斌，朱岑岑，謝宏全，錢 鑫，高澤遠(yuǎn)

（江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

引言

當(dāng)代在項(xiàng)目工程中為計(jì)算工程造價(jià)以及各方利益，工程項(xiàng)目表面積計(jì)算十分重要。由于某些工程項(xiàng)目表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的測(cè)量方法無法準(zhǔn)確地測(cè)量工程表面的三維信息。如今，隨著三維激光掃描技術(shù)的廣泛推廣，它為工程表面積的測(cè)量提供了一種新方法。利用三維激光掃描儀掃描完整的工程項(xiàng)目，能夠更準(zhǔn)確地獲取工程表面的三維信息[1]。因此，三維激光快速而準(zhǔn)確地計(jì)算項(xiàng)目表面積對(duì)工程預(yù)算具有十分重要的意義。

1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

本次實(shí)驗(yàn)的要求為選取合適的假山并求取表面積。首先，選取的假山需要相對(duì)獨(dú)立，周圍沒有遮擋物，方便架設(shè)儀器觀察假山表面的窟窿的位置。其次，查看架設(shè)儀器的位置是否能夠觀察到假山表面窟窿的內(nèi)部。選取的假山如果過高則需要觀察周圍是否有足夠高的平臺(tái)可以架設(shè)儀器并且掃描到假山頂部。

1.2 采集流程

本次試驗(yàn)采用的是球形標(biāo)靶拼接模式；現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定合適的位置架設(shè)測(cè)量?jī)x器以及球形標(biāo)靶；確定掃描路線，在準(zhǔn)備儀器設(shè)備的過程中需要注意本次試驗(yàn)需要一臺(tái)三維激光掃描儀、四塊充滿電的電池、四個(gè)球形標(biāo)靶、一個(gè)腳架、四個(gè)基座。在測(cè)量前需要挑選合適時(shí)間，避免當(dāng)日氣溫過低影響測(cè)量結(jié)果。經(jīng)過實(shí)地踏勘，決定設(shè)置6個(gè)測(cè)站，在假山周圍放置4 個(gè)球形標(biāo)靶。在徠卡C10 激光掃描儀中高分辨率代表每100m 可以掃描到點(diǎn)云間隔為5cm 的數(shù)據(jù)，每一個(gè)測(cè)站所用時(shí)間約為20min。主要步驟為架設(shè)對(duì)中整平、新建工程、低分辨率掃描確定范圍、掃描假山、掃描標(biāo)靶等[2]。

2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與去噪

為使假山表面積的求取結(jié)果更加精確，同時(shí)也為了能夠適用于后續(xù)軟件，因此在計(jì)算表面積之前需要對(duì)假山點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦創(chuàng)建Registration，添加約束條件、進(jìn)行圖像拼接、檢查結(jié)拼結(jié)果等操作誤差小于為6mm 可行的如圖1 所示。

本次數(shù)據(jù)采集采用的方法是標(biāo)靶法，在數(shù)據(jù)采集的過程中難免會(huì)出現(xiàn)干擾物，如假山周邊的房屋建筑和植被等，這些多余的數(shù)據(jù)需要在Cyclone 軟件中通過裁剪等操作來進(jìn)行處理需要進(jìn)行初略去噪、精細(xì)去噪如圖2所示。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀

圖1 拼接結(jié)果

圖2 數(shù)據(jù)去噪

圖3 不同間隔點(diǎn)云抽稀圖

去噪后需要對(duì)處理完成的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，根據(jù)假山表面積大小，實(shí)際假山表面的粗糙程度以及后續(xù)軟件計(jì)算的精度，點(diǎn)云間隔分別設(shè)置為5mm、1cm、2cm、5cm。放大點(diǎn)云可以較清晰的看出點(diǎn)云間疏密的變化如圖3 所示。

3 假山表面積計(jì)算

五種軟件其中Si-scan 的計(jì)算結(jié)果為粗差，而Cyclone無法得出假山表面積[3]。Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE和3D Reshaper 計(jì)算出的假山表面積可以計(jì)算出結(jié)果見表1，分別用符號(hào)SGE、SHD 和S3D 表示，假山表面積變化如圖4 所示。

表1 表面積計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 不同軟件計(jì)算出的假山表面積

4 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 結(jié)果處理

計(jì)算結(jié)果中S-GE、S-HD 和S-3D 分別代表Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE 和 3D Reshaper 計(jì)算 4 種不同抽稀間隔假表面積平均值。△S 為不同抽稀結(jié)果的假山表面積與不同抽稀間隔假山表面積平均值差（取絕對(duì)值）。△SGE/S-GE 為平均值之差與四種不同抽稀間隔假山表面積平均值的比值見表2。

表2 比值統(tǒng)計(jì)表

4.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

為了更加直觀的對(duì)三個(gè)軟件進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，將從軟件安裝，操作難易，計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度進(jìn)行比較分析[4]。由于2cm 點(diǎn)云在計(jì)算過程中較為順暢，因此選擇2cm 點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例見表3。

5 結(jié)論

在本次試驗(yàn)中使用徠卡C10 三維激光掃描儀獲取假山激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再使用Cyclone 軟件對(duì)假山激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。通過對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查，可知該方法是可行的，并且得到數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠可以供后面第三方軟件使用計(jì)算表面積[5]。計(jì)算中 Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE 和3D Reshaper 計(jì)算的結(jié)果是可信的。從表面積計(jì)算操作方面來看，Geomagic 操作較復(fù)雜，3D Reshaper 操作步驟較簡(jiǎn)便；從表面積計(jì)算精度方面來看，3D Reshaper 精度較高，HD_3LS_SCENE 軟件精度較低。

表3 軟件評(píng)估表