基于三維激光掃描技術的數據處理及模型重建

唐 雯

(1.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093； 2.上海師范大學建筑工程學院，上海 201418)

1 概述

三維激光掃描技術是一門新興起的測繪技術，通過該技術可以有效獲取被測物體的點云數據，并通過專用逆向軟件實現被測物體的模型重建。

目前它的使用價值十分突出，在很多領域都有杰出表現，在文物保護、工程監測、結構改造、工藝加工、城市數字化等領域有著廣泛的應用前景。

本文借助某體育場為契機，研究分析三維激光掃描技術獲取建筑物點云數據及三維模型重建方法。

2 地面三維激光掃描儀工作原理

現場實地作業掃描某體育場時，采用的儀器是Leica公司生產的ScanStation C10三維激光掃描儀，屬于地面型三維激光掃描系統。根據掃描系統的區別，屬于固定式三維激光掃描系統，包含三維激光掃描儀、掃描控制系統、內置電池、配套數據處理cyclone軟件等組件構成。

原理上基于脈沖測距法，是一種高速激光測時測距的有效技術。這種測距系統的理論測距范圍可達到幾百米甚至上千米的測距距離(然而，在實際操作中，對于某體育場的掃描有效距離基本上在200 m多左右)。

三維激光掃描儀在目標物后，獲取對象表面上每個采集點的坐標后，最終匯總成一個點的集合，稱為“點云”(Point Clouds)，每個坐標點的原始觀測值是一個測繪距離和兩個角度值。三維掃描儀最終獲取的是目標物的三維空間坐標(X，Y，Z)、激光束反射的強度以及目標物的內在信息屬性。

通常情況下，把儀器中心設置成激光束發射處，掃描測量為儀器自定義坐標系。Z軸位于儀器的豎向掃描面內，向上為正，與橫向掃描面垂直；X軸位于儀器的橫向掃描面內，與Z軸垂直；Y軸位于儀器的橫向掃描面內，與X軸垂直，同時，Y軸正方向指向物體，且與X軸、Z軸一起構成右手坐標系，激光發射器發出強勁的激光脈沖信后，經過反射，接收器收集反射回來的激光回波信號，可以計算出點P到掃描儀距離觀測值S，并且可以同時得到測量每個橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ如圖1所示，從而可以獲得P的坐標(x，y，z)。

利用徠卡ScanStation C10三維激光掃描儀，掃描鏡頭可以垂直方向進行270°的旋轉掃描，水平旋轉裝置是為了保證掃描儀在水平面方向上的360°無障礙掃描，從而獲取三維點云數據，可以獲得點P的三維坐標如式(1)所示。

三維激光掃描點坐標(X,Y,Z)的計算公式如下：

(1)

掃描后，獲取到的點云數據，由配套專用逆向軟件cyclone進行點云數據化，并以*.imp格式保存，通常，鑒于掃描物體外形的差異，經常需要設立多個測站點進行掃描，以防止建筑物數據的缺失，更好地獲取建筑物深層數據。

3 點云數據處理

為了保證后期的三維模型構建的效果及精度，在獲取三維點云數據后，需要使用一些濾波算法過濾掉現場作業時背景等遮擋物的點云數據和離散點，保留目標物的主點云數據，這過程稱為點云數據的預處理。點云拼接、點云去噪、點云濾波、數據壓縮、點云封裝等都是點云數據預處理的手段。

點云的拼接。

對于大型建筑物，在三維掃描過程中，每個測站點下掃描獲取的數據，是在這個測站點的獨立坐標系下產生。把多個不同的獨立坐標系下的點云集合拼合在一起，生成單一的完整坐標系統的過程，就稱之為點云拼接。點云拼接可以區分為基于標靶拼接、基于控制點拼接以及基于點云拼接，在本文中，采用標靶拼接。

拼接步驟如下：在cyclone軟件中,打開菜單欄【creat】→【Registration】命令,執行菜單欄【ScanWorld】→【Add ScanWorld】命令，導入每個測站點掃描信息，在現場三維激光掃描的過程中，我們掃描了靶標，因此執行菜單欄【Constraint】→【Auto-Add Constraints】命令來自動添加標靶信息，點擊菜單欄【Registration】→【Register】命令進行拼接。

分析拼接后的結果，如圖2所示，拼接后點云數據的最大誤差為3 mm。一般情況下，誤差小于6 mm是能夠接受的，選擇菜單欄【Registration】→【Create ScanWorld/Freeze Registration】命令將整個拼接凍結，菜單欄【Registration】→【Create and Open ModelSpace】命令，如圖3所示，展示拼接成果。

4 模型重建

對于掃描所獲得的點云數據，最終目的是為了實現所測目標物的模型重建。通過模型來準確地表現掃描對象的信息屬性。本文利用專用逆向工程cyclone軟件，把通過預處理后的點云數據,擬合還原實物原型。簡要構建流程如下。

4.1 復雜點云的分割

對于像體育場那么繁雜的點云，難免會發生構件結構的觀察不夠直觀，會出現構件周圍有遮擋其屬性的點云的存在，為方便觀測清晰、立體，采用分割功能(pick mode)把需要觀察的構件從原始點云分割拷貝到新的模型空間中，確保所選構件在獨立清晰的空間視角中建模，同時，此法也幫助刪掉建筑物背面的遮擋點云。

打開ModelSpace視口，在Pick Mode選擇模式下,選擇切割的點云。然后在Fence Mode選擇模式下,用鼠標勾勒出一個框，在ModelSpace窗口，執行【Create Object】→【Segment Cloud】→【Cut by Fence】命令，切割框選的點云。所切割的點云生成為一個獨立的子集點云。旋轉點云，確保切割后點云背面沒有遮擋物體的點云。

4.2 支撐體系的主要構件重構

對于柱和梁的構建，采取分段建模的方式進行處理，對柱點云的分割，選擇菜單欄【File】→【Launch】→【Copy Selection to New ModelSpace】命令，把分隔出來的柱點云創建在一個臨時ModelSpaces窗口中，在此臨時ModelSpaces窗口對柱進行擬合，柱的擬合利用多選工具點擊鋼柱點云上的兩處點，執行【Create Object】→【Region Grow】→【Cylinder】命令對柱進行建模，擬合后合并到原始ModelSpaces中去，完成對柱的構建，如圖4，圖5所示。

類似于柱點云的分割，在對梁點云進行分割后，選取一段梁，用多選工具點擊這段梁上的點云，然后用【Create Object】→【Region Grow】→【Cylinder】命令對這段梁進行建模，以此類推，完成一段梁的分段擬合。

兩段梁之間的鏈接用多選工具點擊已經擬合后的兩段梁，執行【Tool】→【Piping】→【Reducer Connectors】命令來處理兩段梁之間的直線鏈接問題，使得鏈接處擬合的更佳平滑。

5 結語

該文結合某體育場三維掃描建模的實例，著重在于研究基于三維激光掃描技術的模型重建方法，介紹了點云數據拼接預處理方法，在模型重建中，運用專業逆向軟件cyclone探討了建筑支撐系統構件的重建方法。在今后的工程實際中，會有很好的運用前景。

隨著社會的進步，技術的革新，三維數據處理軟件不斷涌現，積極推動著三維掃描技術向著高智能、高效率以及高精度的方向努力發展，如何將現實世界的三維立體目標有效轉換PC應用處理的數據，是值得我們今后一直去研究和拓展的課題。

[1] 張維強.地面三維激光掃描技術及其在古建筑測繪中的應用研究[D].西安:長安大學,2014.

[2] 謝宏全,谷風云.基于激光點云數據的三維建模應用實踐[M].武漢:武漢大學出版社,2014：1-2.

[3] 李 濱.徠卡三維激光掃描系統在文物保護領域的應用[J].測繪通報,2008(6):72-73.