地面三维激光扫描点云数据处理及建模

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　　摘  要： 本论文以昆明理工大学呈贡校区“昆明理工大学”石碑作为目标场景，利用地面三维激光扫描仪Maptek I-Site 8200SR获取目标场景的点云数据，使用Maptek I-Site Studio 6.0对点云数据进行预处理，包括点云数据的配准、去噪及精简;通过提取特征点云同时结合AutoCAD2014、3ds Max实现对目标场景的建模。研究三维激光扫描点云数据预处理的方法步骤及模型构建过程，通过分析数据处理及建模结果，结合当前的研究状况探讨了模型的相关应用，并展望进一步的研究方向以及工作内容。
　　关键词： 三维激光扫描技术;点云;三维建模;数据预处理
　　中图分类号： TP391. 41    文献标识码： 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
　　三维激光扫描技术的诞生是为了解决工业领域的设计和制造的需求，已经成功且广泛应用于文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等各个行业[1-5]。利用三维激光扫描技术所获取的空间点云数据，可以实现快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型。随着人们对生产效率要求的提高，三维扫描技术实现在很大程度缩短了产品的设计开发周期，在一定程度上提高了生产效率、节约了生产成本[6-8]。基于测绘外业作业地势险峻數据获取困难、外业人员人生安全缺乏保障、测量数据不全面等的特点，本研究侧重于对地面目标实体坐标位置及特征结构点云数据的获取及处理，本研究旨在从三维激光扫描仪的原理入手，快速建立结构复杂、不规则的目标场景的三维可视化模型，通过获取真实场景的三维激光扫描点云数据与纹理数据，探索学习三维激光扫描技术的应用、地面三维激光点云数据获取、点云数据预处理的流程和方法，同时积累经验，建立规范，以便达到学习、掌握三维激光扫描技术及其应用，实现缩短生产企业的开发设计周期、提高生产效率，以实现三维激光扫描技术能够更加有效的服务于测绘工程建设。
　　1  实证研究
　　本研究以昆明理工大学呈贡校区“昆明理工大学”石碑作为目标场景。首先，该石碑整体呈现不规则形状，可以通过三维激光扫描技术实现不规则纹理数据的提取;其次，石碑上“昆明理工大学”字体为草檀斋毛泽东字体，石碑上的字体与现在电脑上的毛泽东字体存在一定差别;基于数据获取设备的局限性，地面三维激光扫描仪无法实现扫描到较高景物顶部的点云数据，因此，以昆明理工大学呈贡校区高度较低的石碑作为研究对象，来实现三维激光扫描技术的“实景复制”。
　　为了使研究的结果更贴近现实，研究数据除了三维激光扫描仪获取的点云数据以外，再借助单反相机获取更为清晰的实景照片作为建模纹理数据的参照。
　　三维激光点云数据采集使用仪器为：Maptek I-Site 8200SR地面三维激光扫描仪;点云数据处理使用软件Maptek I-Site Studio 6.0，纹理数据则使用佳能700D单反相机获取，其分辨率为1800万像素，精度为18-55mm。为了保障点云数据的完整性，在目标实体四周设置5个站点进行全方位扫描。
　　2  模型及数据处理
　　2.1  原理
　　三维激光扫描仪采用的是内部坐标系统，在三维激光扫描仪内部，一般都有两个相互垂直的轴，而激光测距光束就是以这两个轴系为旋转轴进行旋转测量的，所以一般以这两个旋转轴的交点为内部坐标系的原点，以地面三维激光扫描仪的水平旋转轴为内部坐标系的Y轴，X轴在水平面内与Y轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直构成右手直角坐标系，对于空间任意点P（Xp，Yp，Zp），可以根据地面三维激光扫描仪空间点坐标计算原理图1和计算公式1进行坐标的计算[5-7，9-12]。 　　2.2  数据处理
　　点云数据预处理步骤包含点云配准、点云去噪、点云精简，具体原理方法如下[6，9-15]：
　　（1）点云配准
　　点云数据的配准包括基于标靶的配准、基于控制点的配准及基于同名点云的配准三种[6-8、13-17]。本研究则利用三维激光扫描仪配套的点云数据处理软件Maptek I-Site Studio 6.0进行点云数据预处理中点云配准步骤。利用软件中的点云数据配准功能（自动化初始定位），将扫描数据中第二个扫描站的数据作为“固定基准数据”进行点云数据的配准，点云数据配准操作完成后，对其精度进行验证，点云配准及其配准精度检验如图所示。
　　（2）点云去噪
　　由于仪器系统误差和目标场景点云基础数据获取时存在不可控的场景环境因素的影响，地面三维激光扫描仪在进行外业点云数据采集的过程中会产生一定误差点云和错误点云，即噪声点云[7，8，12]。
　　点云数据中的噪声点云按照其产生的原因分为三类[3，7-12，14-15]：第一类噪声点云是来自三维激光扫描仪本身和扫描方法导致点云数据获取的过程中产生了系统误差和随机误差;第二类噪声点云是来自目标实体，由于目标实体的材料、颜色、角度、光滑度、曲率、纹理以及空间结构等因素的差别对激光的反射率和反射强度都存在不同影响而产生的随机误差。第三类噪声是因为偶然或不可避免的原因而扫描到非目标物，如在目标场景周围出现的行人、车辆，甚至是地面扬起的灰尘等此类噪声点云，该类噪声点云的产生没有意义，为粗差点云数据。
　　除通過扫描时准确谨慎的操作以减少噪声的产生之外，对不同类型的噪声处理时有对应的方式：可以通过设置合适的扫描参数，架设恰当的扫描高度，可以通过点云平滑滤波来减少第一类噪声点云;通过保证测站与测站之间的距离以及测站到扫描目标实体的距离大致相等的措施，以确保选择最佳扫描距离来减少第二类噪声点云的产生;第三类噪声可以通过在获取点云数据时，对地面三维激光扫描仪进行参数设置，通过设置相应的阈值以减少噪声点云的获取，同时能减少点云数据的冗余，在后期点云数据处理过程中可通过操作者肉眼直观判断手动删除。
　　（3）点云精简
　　点云精简算法分为基于曲率和基于法向量的精简算法[5-8，14-17]：
　　3  建模
　　利用Maptek I-Site Studio 6.0软件对目标场景扫描的三维激光点云数据进行预处理，实现点云配准、点云去噪以及点云精简工作，基于Maptek I-Site Studio 6.0软件的建模功能不成熟，其建模结果不理想，因此，为保证建模结果的精度准确度与可靠性，通过提取点云数据中的特征点云，并结合照片纹理数据，利用建模软件Autodesk 3ds Max实现目标场景实物的重构。
　　3.1  文件格式转换
　　结合Maptek I-Site Studio 6.0软件可以导出的文件类型以及建模软件Autodesk 3ds Max可识别的文件类型，确定可转换的数据格式为“.dxf”，最终输出的模型文件格式为“.dwg”，数据文件转换如下图。
　　3.2  建模结果
　　将点云数据导入AutoCAD 2014软件中以获取目标实景的三维特征点云信息，结合实地所获取的纹理数据，在3D Max软件中完成建模工作，依次为：贴图-剪裁-石碑模型建立-字体模型-石碑底座模型建立-水池模型建立-模型纹理映射。
　　纹理映射技术就是指将几何模型所对应的建筑实体的二维图形或图像覆盖到三维模型表面上，精细逼真地模拟出物体表面的各个精细的细节、不规则结构、图案和纹理色彩，提高虚拟三维模型的真实性，使得模型表现的更加贴近实体目标。对模型的纹理粘贴一般有两种方法：一种是给实体模型贴纹理，另一种是给资料粘贴纹理[15-17]，纹理映射及建模结果如图6所示。
　　4  结论与建议
　　4.1  结论
　　三维激光扫描技术的出现及其发展为空间信息的获取提供了全新的技术手段，通过不同类型三维激光扫描仪对目标对象特征点云数据及纹理数据的获取，很大程度改变了空间数据获取的方式，极大地提高了传统测绘效率，在一定程度实现了测绘外业人力物力的精简，对测绘外业数据获取具有重要意义。
　　本文利用地面三维激光扫描仪Maptek I-Site 8200SR通过对目标场景昆明理工大学呈贡校区校“昆明理工大学”石碑进行点云数据获取，使用Maptek I-Site Studio 6.0、AutoCAD2014、3ds Max对点云数据进行预处理并完成对目标场景的建模，通过分析误差来源和建模相关步骤，重点研究了数据处理环节中的点云配准、点云去噪、点云精简等理论和算法，同时对三维激光扫描技术和模型构建特点进行分析，结合当前的研究状况探讨了模型的相关应用，并展望了进一步的研究方向及内容。
　　任何一项新兴技术的发展都需要一个过程，同理，一款测量仪器也不可能实现解决测绘作业中遇到的所有问题，只有针对测量对象的特点，综合各类仪器设备的优点及可取之处，充分发挥各类仪器设备在测绘外业数据获取和内业数据处理中应用，使其相辅相成，全面实现生产作业效率的提高。
　　4.2  建议
　　地面三维激光扫描技术有着广阔的应用前景和研究热点，由于是较新的研究领域、且该技术的复杂性以及个人水平有限，虽然本文对昆明理工大学呈贡校区石碑场景通过点云数据采集以及完成三维模型重建做了一些研究工作，但仍存在许多不足，需要进一步深入研究，主要在以下几个方面：
　　（1）点云数据获取：对于目标场景点云数据获取：由于自身的遮挡原因，无法获取建筑物的完整点云，需要对点云数据进行重采样;人工手动补充点云数据的重采样方存在式工作量大，且会造成数据量过大及数据冗余问题，在后期数据处理中，对数据处理设备的要求较高，且数据量大和数据冗余问题会直接影响点云数据预处理的效率。因此，在数据获取前期完善点云数据获取方案外，目标场景部分数据无法获取的情况下如何更加有效的完成建模工作亟待解决。 　　（2）点云算法：点云数据处理内容的相关算法也需要进一步研究：其一，对点云的自动分割算法需要进一步完善，如能自动分割出许多数据量小、拥有相同特征的点云部分（如雕像的底座、建筑物的门窗、墙壁柱子等局部自动分割出来），即可先对目标建筑物的局部進行建模，然后在将部分模型拼接成完整模型，将点云数据及工作量分散之后，可以大大降低建模对计算机配置要求，同时能在极大程度提高工作效率，避免数据处理过程中软件或系统由于无法承载数据处理量而出现崩盘状况;其二，点云数据的精简算法也需要进行深入研究及完善，探究如何在保留目标实体特征点云的基础上，实现其余点云数据的精简;基于点云数据量大的特点而不适用于在数字城市等的应用中，3Dmax模型数据量小，在数据量上占有优势，但3Dmax手动提取特征点云、手动实现建模，因而工作量大，在实际的生产工作中需要花费大量的人力物力财力;综上所述，实现点云数据的精简，在很大程度提高工作效率，减少成本投入。
　　（3）数据格式转换：在点云数据格式的转换方面，具有广阔的研究前景，点云数据格式与建模软件格式的统一，减少了数据转换的步骤，精简建模步骤从而能提高建模工作的效率。
　　将三维激光扫描技术应用到其他领域，如建筑、城市规划、数字城市、文物保护等领域，同时与传统的测量方法进行取长补短，缩短产品周期，提高各领域工作效率，使三维激光扫描技术更加有效的服务于测绘行业。
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