利用激光點云數據求取假山表面積方法研究

毛 斌，朱岑岑，謝宏全，錢 鑫，高澤遠

（江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院，江蘇 連云港 222005）

引言

當代在項目工程中為計算工程造價以及各方利益，工程項目表面積計算十分重要。由于某些工程項目表面結構的復雜性，傳統的測量方法無法準確地測量工程表面的三維信息。如今，隨著三維激光掃描技術的廣泛推廣，它為工程表面積的測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目，能夠更準確地獲取工程表面的三維信息[1]。因此，三維激光快速而準確地計算項目表面積對工程預算具有十分重要的意義。

1 激光點云數據獲取

1.1 實驗對象選取

本次實驗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獨立，周圍沒有遮擋物，方便架設儀器觀察假山表面的窟窿的位置。其次，查看架設儀器的位置是否能夠觀察到假山表面窟窿的內部。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可以架設儀器并且掃描到假山頂部。

1.2 采集流程

本次試驗采用的是球形標靶拼接模式；現場踏勘，確定合適的位置架設測量儀器以及球形標靶；確定掃描路線，在準備儀器設備的過程中需要注意本次試驗需要一臺三維激光掃描儀、四塊充滿電的電池、四個球形標靶、一個腳架、四個基座。在測量前需要挑選合適時間，避免當日氣溫過低影響測量結果。經過實地踏勘，決定設置6個測站，在假山周圍放置4 個球形標靶。在徠卡C10 激光掃描儀中高分辨率代表每100m 可以掃描到點云間隔為5cm 的數據，每一個測站所用時間約為20min。主要步驟為架設對中整平、新建工程、低分辨率掃描確定范圍、掃描假山、掃描標靶等[2]。

2 激光點云數據預處理

2.1 點云數據拼接與去噪

為使假山表面積的求取結果更加精確，同時也為了能夠適用于后續軟件，因此在計算表面積之前需要對假山點云數據進行預處理。將獲取的數據導入電腦創建Registration，添加約束條件、進行圖像拼接、檢查結拼結果等操作誤差小于為6mm 可行的如圖1 所示。

本次數據采集采用的方法是標靶法，在數據采集的過程中難免會出現干擾物，如假山周邊的房屋建筑和植被等，這些多余的數據需要在Cyclone 軟件中通過裁剪等操作來進行處理需要進行初略去噪、精細去噪如圖2所示。

2.2 點云數據抽稀

圖1 拼接結果

圖2 數據去噪

圖3 不同間隔點云抽稀圖

去噪后需要對處理完成的激光點云數據進行抽稀處理，根據假山表面積大小，實際假山表面的粗糙程度以及后續軟件計算的精度，點云間隔分別設置為5mm、1cm、2cm、5cm。放大點云可以較清晰的看出點云間疏密的變化如圖3 所示。

3 假山表面積計算

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

表1 表面積計算結果統計

圖4 不同軟件計算出的假山表面積

4 計算結果統計與分析

4.1 結果處理

計算結果中S-GE、S-HD 和S-3D 分別代表Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE 和 3D Reshaper 計算 4 種不同抽稀間隔假表面積平均值。△S 為不同抽稀結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 比值統計表

4.2 統計結果分析

為了更加直觀的對三個軟件進行對比評估，將從軟件安裝，操作難易，計算時間和計算精度進行比較分析[4]。由于2cm 點云在計算過程中較為順暢，因此選擇2cm 點云數據為例見表3。

5 結論

在本次試驗中使用徠卡C10 三維激光掃描儀獲取假山激光點云數據，再使用Cyclone 軟件對假山激光點云數據進行預處理。通過對數據質量的檢查，可知該方法是可行的，并且得到數據質量可靠可以供后面第三方軟件使用計算表面積[5]。計算中 Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE 和3D Reshaper 計算的結果是可信的。從表面積計算操作方面來看，Geomagic 操作較復雜，3D Reshaper 操作步驟較簡便；從表面積計算精度方面來看，3D Reshaper 精度較高，HD_3LS_SCENE 軟件精度較低。

表3 軟件評估表