三維激光掃描點云數據處理與應用技術淺析

鄧建波，胡國紅

（江西有色地質測繪院，江西 新余 338000）

建筑測量，是測量工程中非常重要的項目。由于建筑結構復雜、建筑圖紙資料缺乏，并且空間狹小，因此對測量工作帶來較大的不便。而對于三維激光掃描點云數據處理技術來說，涉及色彩灰度與目標處理強度要素，同時還包括目標空間信息要素等，對點云數據后處理技術，通過分析、測量、模擬、檢測，能夠獲取高精度測量數據結果，且與傳統的單點測量方式比較優勢突出[1]。由此可見，從提升建筑測量作業的精準度角度考慮，本文圍繞“三維激光掃描點云數據處理與應用技術”進行分析研究價值意義顯著。

1 三維激光掃描點云處理技術概述

在三維信息采集裝置的應用下，對三維點云數據進行收集。對于當中的信息收集設備來說，通常為三維激光掃描儀。此設備的構成成分包括：其一，控制系統；其二，供電系統；其三，支架系統；其四，掃描系統、其五，掃描角度等；三維激光掃描儀主要對角度、距離進行測量，并進行校正及攝影作業[2]。利用測距技術，能夠將觀測值S得出來，并包括被測物體的垂直角度、水平角度；如下圖1所示，為激光三維掃描儀原理圖，通過測量最終能夠獲取物體表面至坐標原點的距離、垂直角度、水平角度，進一步獲取物體表面K（X、Y、Z）點與坐標原點的相對三維坐標。

圖1 激光三維掃描儀原理圖

值得注意的是，因點云屬性涉及一些關鍵信息，比如：法向量、位置、顏色等，與傳統的三角非均勻網絡比較，點云模式能夠得到合理科學的信息，通過簡單的操作，將數據結構科學地呈現出來[3]。目前，三維點云技術在注冊、數據采集、特征信息獲取、表面建設等工作領域應用廣泛，能夠使處理技術與相應點繪制形式的統一性得到有效實現。

2 三維激光掃描點云數據處理與應用技術分析

如前所述，對三維激光掃描點云處理技術的概念及基本應用有了一定程度的了解。而從建筑測量成果的提高角度考慮，有必要掌握三維激光掃描點云數據處理方法及該項技術的具體應用要點。總結起來，數據處理、技術應用要點如下：

2.1 單體建筑與大規模建筑掃描建模技術方法

在三維激光掃描過程中，建筑類型不同，其掃描建模的方法不同，具體如下：

（1）針對單體建筑，需使用3DMax三維建模軟件進行掃描處理，主要優勢為不需要使用到建筑圖紙，便能夠快速得到建筑的具體尺寸，進一步將建筑群布局及真實模型制作出來，并且收集的數據精度非常高。然而，采取此模式對建模對象進行掃描，在構建表明規整的建筑模型效果方面不夠理想，主要是由于采取激光基于平臺采集的點密度偏大[3]。因此，可采取I-SiTE Studio，針對掃描的點數據實施重新建模措施，經人機交互模式聯合點云形狀，對點、線、面的幾何元素進行構建。所以，對于規則單體建筑，其建模難度比較低，可通過三維建模軟件，得到建筑的具體三維尺寸，進一步促進模型建設精度的提升。

（2）一方面，針對大規模建筑，在掃描建模過程中，針對正射投影，由于三維掃描儀對失修古跡的掃描優勢突出，這主要是古代建筑群具有結構復雜、空間狹小以及建筑圖紙缺乏等特征。所以，基于修繕及維護工作過程中，需對建筑結構進行認真分析，針對具有特色的建筑，需進行具體紋理模型的構建。比如，基于某建筑群數據采集過程中，掃描位置有效數量為123個，涉及：彩色點云、點云數據等，通過數據的收集，能夠為建筑結構的獲取提供便利，進一步便相對應結構圖的繪制，對后續維護工作提供有效保障依據。所以，可利用三維掃描技術，對掃描數據獲取出來，然后在結合建筑結構的基礎上，使投影圖生成，采取Riscan Pro，使正射投影圖的相關插件有效行程，然后進行正射投影圖的繪制。當然，可利用投影平面及剪裁點云數據的方式，得到相對應的剖面圖，進一步實現對建筑結構的充分了解。另一方面，針對規模比較大的建筑物，有必要對每一個位置之間的連接部位進行掃描，如果室內結構與走廊比較復雜，可在明確掃描位置的條件下，將公共反射體合理放置好。比如，需確保兩個掃描位置之間具備公共反射體4個，進一步使后期模型拼接作業有效完成。與此同時，由于一些建筑的高度偏高，內部掃描空間不足，在對屋頂數據進行掃描過程中，需選取距離樓頂200m的位置掃描。在三維掃描儀正常作業狀態下，反射體需放置于距離掃描儀200米的位置，除此之外，倘若掃描期間有拼接誤差問題出現，在獲取近似公共點的基礎上，可以利用網絡模型，或者點云數據獲取該數值。如果該掃描期間，反射點采樣點比較少，那么難以獲取精準的數據結果，易出現重影的現象。所以，需基于三維掃描期間配置全站儀、自動攝像測量與實景三維建模軟件，獲取點云數據之后，使反射體的數據精度有效提升，使誤差有效降低[4]。

2.2 模型參數的確定方法

在模型參數確定期間，需利用RANSAC算法，基于噪音點云數據當中，根據檢測模型，對參數進行合理設置，主要方法為：其一，將Data樣本集內模型M設置好，根據其特征，對最低抽樣數量n確定；然后基于其內部將n個樣本選出來，構建出初始的模型M1。其二，基于剩余的樣本當中，即在SC＝Data-s內，對樣本集進行隨機抽取，然后構建出模型M2，通過模型M1和模型M2之間的對比分析，得出正確的最優化模型。

除此之外，還需要做好平面區域分割工作，如果把點云劃分成非平面與平面區域，則需利用RANSAC算法，使采樣點數減少，使檢測速率加快，進一步得到精準的檢測數據。當然，還可以對RANSAC算法加以應用，進行平面檢測作業，不需要對建筑所有點云數據收集，便可以進行相應設置，在對模型參數加以明確的基礎上，保證檢測數據結果的精準性。

2.3 技術應用實例分析

以某建筑測量工程項目為例，可以使用三維激光掃描技術，利用Rigel VZ-400掃描儀進行掃描，具體指標內容包括：①近紅外線波長為1550nm，安全級別為Ciass I；②光斑直徑為0.25nm，掃描精度為3mm；③水平掃描視場為360°、垂直掃描視場為100°；④此外，如果掃描表面反射率＞90%，那么在高速掃描期間，將距離設置為350nm，長距離掃描距離為600m。涉及的掃描技術要點如下：

（1）數據采集及處理。本建筑工程項目基于平面領域為軸線對稱，正立面中橫縱結構一共有三段。可利用Riscan PRO軟件，針對建筑相鄰站點的公共位點采取粗拼接措施，并以點云誤差最小化的原則，實施細拼接處理，進一步把車站的點云數據集中掃描到儀器坐標系當中，使平滑處理及點云數據濾波處理順利完成[5]。

（2）成果輸出。利用Geomagic，對三角網模型進行構建，并對數碼相機、三維模型應用，把高分辨率圖片導入軟件當中，使映射有效完成。在對三維模型進行重建的基礎上，將本工程項目建筑的剖面圖、立面圖以及側面圖繪制出來，獲取顯著、精準、且有效的測量成果，進一步為建筑后期修繕及調整提供有效憑據。

3 結語

綜上所述，認識到三維激光掃描和傳統單點測量方法比較，優勢突出。而在建筑測量過程中，需根據建筑的特點，比如單體建筑或大規模建筑，進行合理科學地掃描建模，進一步對模型參數加以明確。此外，在建筑工程項目測量工作中，利用三維激光掃描技術，需重視數據采集及處理，并將成果輸出，以此使三維激光掃描技術的應用價值得到有效體現，進一步全面提升建筑測量結果的精準度。總之，三維激光掃描技術應用價值頗高，值得在建筑測量工作中推廣及應用。