淺議三維激光掃描數據預處理重要性

摘要：三維激光掃描技術是測繪領域，繼 GPS 技術之后誕生的又一次技術革命，又被稱為實景復制技術[1]。具有快速，非接觸式， 實時、 動態、 主動性， 高密度、 高精度， 數字化、 自動化等其他功能[2]，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。本文擬通過對三維激光掃描技術在隧道施工應用中的數據采集及預處理過程進行闡述，進而說明此過程對后續三維影像模型生成的重要影響。

關建詞：激光掃描 點云數據 數據處理

中圖分類號：? TP391.4??? 文獻標志碼：A

1、引言

三維激光掃描測量系統由三維激光掃描儀、數碼相機、電源以及附屬設備組成。它的工作原理是：利用三維激光掃描儀對觀測目標進行掃描，通過測得三維掃描儀中心到目標點的斜距、激光束水平方向偏轉角和激光束豎直方向偏轉角來計算觀測點的相對三維坐標，然后與全站儀測得測量坐標系下的同名點坐標進行轉換，得到各激光點在測量坐標系下的坐標。測量過程中受到儀器本身和外界條件的影響點云數據中會包含大量無效冗余數據，這些數據會對后期被測物體的建模產生嚴重影響，所以必須要對這些數據進行預處理[3]。

2、三維激光點云數據獲取

2.1掃描儀設站

三維激光掃描儀據設站方式不同有兩種類型，一種類型的三維激光掃描儀可以任意點自由設站，然后通過掃描2個或以上經全站儀測得坐標的球棱鏡進行坐標轉換，如圖1所示。

自由設站掃描時，每一測站至少要掃描2個或以上的標靶，相鄰測站掃描時宜保持上一測站標靶固定不動，標靶至掃描儀的距離不宜超過相鄰測站間距的一半，標靶的坐標可以在掃描前或掃描后用全站儀測量獲取。

另外一種類型的三維激光掃描儀具有類似于全站儀設站的功能，可以在已知測量控制點上置鏡，通過掃描另外一個安置在已知控制點上的標靶球進行設站，如圖2所示。

已知點設站掃描時，掃描儀與后視棱鏡之間的距離應在掃描儀的最佳測程之內，并且后視棱鏡成像清晰。

2.2點云數據采集

外業采集點云數據是三維建模的數據基礎，在采集過程中，要依據操作流程嚴格按照數據采集規范進行。數據采集流程包括點位控制測量、掃描測站布設、球形標靶布測、點云數據掃描采集、外業數據檢查分析、 數據導出備份等環節。

選擇掃描儀設站位置，根據掃描儀類別，采用自由設站或已知點設站方式架設掃描儀，自由設站式掃描儀需要在現場設置2個或以上標靶球，為提高掃描精度，宜采用全站儀測量出每測站掃描的標靶球中心坐標，以提高隧道點云拼接精度，減小拼接誤差積累。架設好掃描儀后，設置掃描范圍、掃描密度、拍照參數，然后進行自動掃描，隧道內測站間距一般不超過30m，每測站掃描時間大約3分鐘。

為保證掃描結果的精確性，三維激光掃描工作時應進行通風排煙，確保洞內無施工干擾，掃描范圍內不得有施工人員、機械行走，防止遮擋掃描視線。

3、點云數據的預處理

三維激光點云在采集過程中由于受到包括儀器本身接收信號的誤差、空氣質量、外界施工干擾等多種因素的影響，采集的點云原始數據不能全部直接用于隧道三維模型建立和數據分析使用，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[4]點云預處理工作主要有點云數據配準、點云裁剪、點云去噪、點云重采樣等幾個方面。

3.1點云數據配準

點云數據配準，也稱為點云數據拼接。三維激光掃描儀掃描隧道采集得到的點云都是以帶狀形式分布，每一次掃描通常由多個測站完成且每個測站都有它獨立的坐標系，為使掃描成果獲得統一測量坐標系下的坐標及后續進行點云數據分析、使用，需將多段點云數據疊加、拼接才能完整呈現出掃描目標的整體效果。點云的拼接方式一般采用以下幾種方式：

（1）通過標靶進行拼接，作業時在相鄰測站間布設兩個及以上的標靶，利用同名標靶特征將相鄰測站拼接在一起，自由設站式掃描采集的點云數據拼接就采用此種拼接形式。

（2）通過各測站在工程施工坐標系內的已知控制點進行定位，將各個測站點云拼接成一個整體，已知點設站式掃描采集的點云數據拼接通常應用此形式。

（3）如果作業環境中有明顯可識別的特征點，可在相鄰測站重復區域的點云中分別選擇3個以上同名點進行拼接。

（4）基于視圖同名空間特征進行自動拼接。以某一個測站點云為基準，將相鄰測站點云分別進行平移、旋轉、升降，將兩個測站點云里的同名空間特征進行匹配。

3.2點云裁剪

點云裁剪就是在點云滿足精度條件的前提下，對部分重復區域、基本無用數據通過處理減少其數據量，只保留精度可靠、符合使用要求的有限范圍內掃描點云數據，通過提取其有效信息，以達到提高數據處理運算速度、 三維建模效率以及模型必要精度的目的。隧道掃描后裁剪前的點云數據如圖1所示，裁剪后的點云數據如圖2所示。

3.3、點云去噪

點云數據誤差的主要來源有被掃描對象表面因素產生的誤差、偶然噪聲點、測量系統本 身誤差等[5]，受其影響點云原始數據中含有各種形式的噪聲點造成掃描數據不能正常、準確反映掃描目標的空間形態。隧道點云數據的不同噪聲點主要有：

（1）隧道內部空間中粉塵引起的飄移點;

（2）遠離隧道壁的非目標對象點，如管線、支架、凹槽點云等;

（3）超出預定掃描范圍的冗余點，如有效掃描距離以外的點云。

內部空間粉塵產生的飄移點，可通過濾波的方法去除，高斯濾波算法對此類噪聲的過濾效果較好;對于非目標對象點云，可以采用排除法予以剔除，即通過點云聚類方法對隧道壁進行聚類，隧道壁以外的點云即為需要剔除的數據;超出預定掃描范圍的冗余點可以通過點云裁剪去除。隧道洞內三維激光掃描點云去噪前如圖3所示，點云明顯存在施工人員、設備等噪聲點，點云去噪后效果如圖4所示。

3.4、點云重采樣

隧道三維激光掃描獲取的原始點云密度是非常大的，每平方米可以達到幾十萬甚至幾百萬個點，但在隧道點云預處理的過程中，并不需要如此高密度的點云數據來表達隧道模型。過高密度的點云不僅影像計算效率，而且占用大量存儲空間。隧道超欠挖的計算中，需要對原始點云進行重采樣，以提高數據的操作運算速度、 建模效率以及模型精度[6]。對點云數據重采樣的抽稀方法有隨機采樣、點間距采樣和八叉樹采樣等方法。隧道三維激光掃描點云抽稀前點間隔為0.02m，如圖5所示，按點間距0.1m進行重采樣后結果如圖6所示。

結語：三維激光掃描技術通過掃描采集得到被測物體表面點云數據，結合隧道各里程斷面掃描成果可建立三維影像模型，使隧道各施工環節場景重新直觀再現。利用此模型和后處理軟件各項輔助功能實現了隧道開挖、初期支護、二襯施工等作業環節的超欠挖計算、工程數量統計、工程質量檢查及變形監測數據采集，各項成果較過去傳統手段更加容易實現。數據預處理一方面為模型重建提供了精確可靠的點云數據，其次通過拼接及裁剪環節降低了模型重建復雜程度，另外經去噪和數據重采樣有效提高了模型重構的精度和速度，為三維激光掃描技術在隧道施工方面更廣闊的應用創造了可能。

參考文獻：

[1] 宋培焱1* ，楊志敏2三維激光掃描技術在陡峭山體土石方量計算中的應用[J].城市勘測，2019（2）： 63-65.

[2] 崔紅超 劉仁釗 馬 嘯，基于三維激光掃描技術數字校園點云數據預處理[J].經緯天地，2019（04） ： 40-41+46.

[3] 程俊廷1 郭博洋1 盧建軍2海量三維掃描點云數據預處理方法[J].電子技術與軟件工程，2018（11） ： 189-190.

[4] 唐 雯1，2，基于三維激光掃描技術的數據處理及模型重建[J].山西建，2018，44（02） ： 209-210.

[5]苗亞哲1，2，李勝波1，鄧安仲2，樂觀2，戴作球1，三維激光點云數據在既有地下人防工程 BIM 模型重建中的應用[J].測繪通，2019（06） ：：100-104.

[6]楊明珠，董燕.三維激光掃描點云數據處理及建模研究[J].價值工程，2017，36（12） ： 117-119.

作者簡介：馬自軍（1971-），男，漢族，寧夏中衛人，大學本科，高級講師。主要研究方向：工程測量及無人機、激光掃描儀等設備應用。 單位地址：蘭州市西津西路511號