地面三維激光掃描點云數據處理及建模

楊希　袁希平　甘淑

摘 ?要： 本論文以昆明理工大學呈貢校區“昆明理工大學”石碑作為目標場景，利用地面三維激光掃描儀Maptek I-Site 8200SR獲取目標場景的點云數據，使用Maptek I-Site Studio 6.0對點云數據進行預處理，包括點云數據的配準、去噪及精簡;通過提取特征點云同時結合AutoCAD2014、3ds Max實現對目標場景的建模。研究三維激光掃描點云數據預處理的方法步驟及模型構建過程，通過分析數據處理及建模結果，結合當前的研究狀況探討了模型的相關應用，并展望進一步的研究方向以及工作內容。

關鍵詞：?三維激光掃描技術;點云;三維建模;數據預處理

中圖分類號： TP391. 41????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.050

【Abstract】： This paper uses the sign of "Kunming University of Science and Technology" of the Cheng-gong Campus of Kunming University of Science and Technology as the target scene，Using the ground 3D laser scanner Maptek I-Site 8200SR to obtain the cloud data of the target scene.and uses Maptek I-Site Studio 6.0 to pre-process the point cloud data. Including registration， de-noising and streamlining of point cloud data; The target scene is modeled by extracting feature point clouds combined with AutoCAD2014 and 3DS Max. This paper studies the method steps and model construction process of 3D laser scanning point cloud data preprocessing， analyzes the data processing and modeling results， discusses the relevant application of the model based on the current research situation， and looks forward to the further research direction and work content.

【Key words】： 3D laser scanning technology; Point cloud; Data preprocessing ;3D modeling

0??引言

三維激光掃描技術的誕生是為了解決工業領域的設計和制造的需求，已經成功且廣泛應用于文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業、變形監測、工廠、大型結構、管道設計、飛機船舶制造、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建等各個行業[1-5]。利用三維激光掃描技術所獲取的空間點云數據，可以實現快速建立結構復雜、不規則場景的三維可視化模型。隨著人們對生產效率要求的提高，三維掃描技術實現在很大程度縮短了產品的設計開發周期，在一定程度上提高了生產效率、節約了生產成本[6-8]。基于測繪外業作業地勢險峻數據獲取困難、外業人員人生安全缺乏保障、測量數據不全面等的特點，本研究側重于對地面目標實體坐標位置及特征結構點云數據的獲取及處理，本研究旨在從三維激光掃描儀的原理入手，快速建立結構復雜、不規則的目標場景的三維可視化模型，通過獲取真實場景的三維激光掃描點云數據與紋理數據，探索學習三維激光掃描技術的應用、地面三維激光點云數據獲取、點云數據預處理的流程和方法，同時積累經驗，建立規范，以便達到學習、掌握三維激光掃描技術及其應用，實現縮短生產企業的開發設計周期、提高生產效率，以實現三維激光掃描技術能夠更加有效的服務于測繪工程建設。

1??實證研究

本研究以昆明理工大學呈貢校區“昆明理工大學”石碑作為目標場景。首先，該石碑整體呈現不規則形狀，可以通過三維激光掃描技術實現不規則紋理數據的提取;其次，石碑上“昆明理工大學”字體為草檀齋毛澤東字體，石碑上的字體與現在電腦上的毛澤東字體存在一定差別;基于數據獲取設備的局限性，地面三維激光掃描儀無法實現掃描到較高景物頂部的點云數據，因此，以昆明理工大學呈貢校區高度較低的石碑作為研究對象，來實現三維激光掃描技術的“實景復制”。

為了使研究的結果更貼近現實，研究數據除了三維激光掃描儀獲取的點云數據以外，再借助單反相機獲取更為清晰的實景照片作為建模紋理數據的參照。

三維激光點云數據采集使用儀器為：Maptek I-Site 8200SR地面三維激光掃描儀;點云數據處理使用軟件Maptek I-Site Studio 6.0，紋理數據則使用佳能700D單反相機獲取，其分辨率為1800萬像素，精度為18-55mm。為了保障點云數據的完整性，在目標實體四周設置5個站點進行全方位掃描。

2??模型及數據處理

2.1 ?原理

三維激光掃描儀采用的是內部坐標系統，在三維激光掃描儀內部，一般都有兩個相互垂直的軸，而激光測距光束就是以這兩個軸系為旋轉軸進行旋轉測量的，所以一般以這兩個旋轉軸的交點為內部坐標系的原點，以地面三維激光掃描儀的水平旋轉軸為內部坐標系的Y軸，X軸在水平面內與Y軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直構成右手直角坐標系，對于空間任意點P（Xp，Yp，Zp），可以根據地面三維激光掃描儀空間點坐標計算原理圖1和計算公式1進行坐標的計算[5-7，9-12]。

2.2 ?數據處理

點云數據預處理步驟包含點云配準、點云去噪、點云精簡，具體原理方法如下[6，9-15]：

（1）點云配準

點云數據的配準包括基于標靶的配準、基于控制點的配準及基于同名點云的配準三種[6-8、13-17]。本研究則利用三維激光掃描儀配套的點云數據處理軟件Maptek I-Site Studio 6.0進行點云數據預處理中點云配準步驟。利用軟件中的點云數據配準功能（自動化初始定位），將掃描數據中第二個掃描站的數據作為“固定基準數據”進行點云數據的配準，點云數據配準操作完成后，對其精度進行驗證，點云配準及其配準精度檢驗如圖所示。

（2）點云去噪

由于儀器系統誤差和目標場景點云基礎數據獲取時存在不可控的場景環境因素的影響，地面三維激光掃描儀在進行外業點云數據采集的過程中會產生一定誤差點云和錯誤點云，即噪聲點云[7，8，12]。

點云數據中的噪聲點云按照其產生的原因分為三類[3，7-12，14-15]：第一類噪聲點云是來自三維激光掃描儀本身和掃描方法導致點云數據獲取的過程中產生了系統誤差和隨機誤差;第二類噪聲點云是來自目標實體，由于目標實體的材料、顏色、角度、光滑度、曲率、紋理以及空間結構等因素的差別對激光的反射率和反射強度都存在不同影響而產生的隨機誤差。第三類噪聲是因為偶然或不可避免的原因而掃描到非目標物，如在目標場景周圍出現的行人、車輛，甚至是地面揚起的灰塵等此類噪聲點云，該類噪聲點云的產生沒有意義，為粗差點云數據。

除通過掃描時準確謹慎的操作以減少噪聲的產生之外，對不同類型的噪聲處理時有對應的方式：可以通過設置合適的掃描參數，架設恰當的掃描高度，可以通過點云平滑濾波來減少第一類噪聲點云;通過保證測站與測站之間的距離以及測站到掃描目標實體的距離大致相等的措施，以確保選擇最佳掃描距離來減少第二類噪聲點云的產生;第三類噪聲可以通過在獲取點云數據時，對地面三維激光掃描儀進行參數設置，通過設置相應的閾值以減少噪聲點云的獲取，同時能減少點云數據的冗余，在后期點云數據處理過程中可通過操作者肉眼直觀判斷手動刪除。

（3）點云精簡

點云精簡算法分為基于曲率和基于法向量的精簡算法[5-8，14-17]：

3??建模

利用Maptek I-Site Studio 6.0軟件對目標場景掃描的三維激光點云數據進行預處理，實現點云配準、點云去噪以及點云精簡工作，基于Maptek I-Site Studio 6.0軟件的建模功能不成熟，其建模結果不理想，因此，為保證建模結果的精度準確度與可靠性，通過提取點云數據中的特征點云，并結合照片紋理數據，利用建模軟件Autodesk 3ds Max實現目標場景實物的重構。

3.1 ?文件格式轉換

結合Maptek I-Site Studio 6.0軟件可以導出的文件類型以及建模軟件Autodesk 3ds Max可識別的文件類型，確定可轉換的數據格式為“.dxf”，最終輸出的模型文件格式為“.dwg”，數據文件轉換如下圖。

3.2??建模結果

將點云數據導入AutoCAD 2014軟件中以獲取目標實景的三維特征點云信息，結合實地所獲取的紋理數據，在3D Max軟件中完成建模工作，依次為：貼圖-剪裁-石碑模型建立-字體模型-石碑底座模型建立-水池模型建立-模型紋理映射。

紋理映射技術就是指將幾何模型所對應的建筑實體的二維圖形或圖像覆蓋到三維模型表面上，精細逼真地模擬出物體表面的各個精細的細節、不規則結構、圖案和紋理色彩，提高虛擬三維模型的真實性，使得模型表現的更加貼近實體目標。對模型的紋理粘貼一般有兩種方法：一種是給實體模型貼紋理，另一種是給資料粘貼紋理[15-17]，紋理映射及建模結果如圖6所示。

4??結論與建議

4.1??結論

三維激光掃描技術的出現及其發展為空間信息的獲取提供了全新的技術手段，通過不同類型三維激光掃描儀對目標對象特征點云數據及紋理數據的獲取，很大程度改變了空間數據獲取的方式，極大地提高了傳統測繪效率，在一定程度實現了測繪外業人力物力的精簡，對測繪外業數據獲取具有重要意義。

本文利用地面三維激光掃描儀Maptek I-Site 8200SR通過對目標場景昆明理工大學呈貢校區校“昆明理工大學”石碑進行點云數據獲取，使用Maptek I-Site Studio 6.0、AutoCAD2014、3ds Max對點云數據進行預處理并完成對目標場景的建模，通過分析誤差來源和建模相關步驟，重點研究了數據處理環節中的點云配準、點云去噪、點云精簡等理論和算法，同時對三維激光掃描技術和模型構建特點進行分析，結合當前的研究狀況探討了模型的相關應用，并展望了進一步的研究方向及內容。

任何一項新興技術的發展都需要一個過程，同理，一款測量儀器也不可能實現解決測繪作業中遇到的所有問題，只有針對測量對象的特點，綜合各類儀器設備的優點及可取之處，充分發揮各類儀器設備在測繪外業數據獲取和內業數據處理中應用，使其相輔相成，全面實現生產作業效率的提高。

4.2??建議

地面三維激光掃描技術有著廣闊的應用前景和研究熱點，由于是較新的研究領域、且該技術的復雜性以及個人水平有限，雖然本文對昆明理工大學呈貢校區石碑場景通過點云數據采集以及完成三維模型重建做了一些研究工作，但仍存在許多不足，需要進一步深入研究，主要在以下幾個方面：

（1）點云數據獲取：對于目標場景點云數據獲取：由于自身的遮擋原因，無法獲取建筑物的完整點云，需要對點云數據進行重采樣;人工手動補充點云數據的重采樣方存在式工作量大，且會造成數據量過大及數據冗余問題，在后期數據處理中，對數據處理設備的要求較高，且數據量大和數據冗余問題會直接影響點云數據預處理的效率。因此，在數據獲取前期完善點云數據獲取方案外，目標場景部分數據無法獲取的情況下如何更加有效的完成建模工作亟待解決。

（2）點云算法：點云數據處理內容的相關算法也需要進一步研究：其一，對點云的自動分割算法需要進一步完善，如能自動分割出許多數據量小、擁有相同特征的點云部分（如雕像的底座、建筑物的門窗、墻壁柱子等局部自動分割出來），即可先對目標建筑物的局部進行建模，然后在將部分模型拼接成完整模型，將點云數據及工作量分散之后，可以大大降低建模對計算機配置要求，同時能在極大程度提高工作效率，避免數據處理過程中軟件或系統由于無法承載數據處理量而出現崩盤狀況;其二，點云數據的精簡算法也需要進行深入研究及完善，探究如何在保留目標實體特征點云的基礎上，實現其余點云數據的精簡;基于點云數據量大的特點而不適用于在數字城市等的應用中，3Dmax模型數據量小，在數據量上占有優勢，但3Dmax手動提取特征點云、手動實現建模，因而工作量大，在實際的生產工作中需要花費大量的人力物力財力;綜上所述，實現點云數據的精簡，在很大程度提高工作效率，減少成本投入。

（3）數據格式轉換：在點云數據格式的轉換方面，具有廣闊的研究前景，點云數據格式與建模軟件格式的統一，減少了數據轉換的步驟，精簡建模步驟從而能提高建模工作的效率。

將三維激光掃描技術應用到其他領域，如建筑、城市規劃、數字城市、文物保護等領域，同時與傳統的測量方法進行取長補短，縮短產品周期，提高各領域工作效率，使三維激光掃描技術更加有效的服務于測繪行業。

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