基于三维激光扫描仪的点云采集及处理研究

郭柏希

摘要：伴随着科学技术的不断发展和进步，三维激光扫描技术在越来越多的领域中得到了广泛应用，本文以吉林省长春市某小区为例，阐明了采用三维激光扫描技术从项目起始的数据采集到最终的3D模型建成的全过程，并分析了与传统测量模式相比，三维激光扫描技术各方面的优势，为日后三维激光扫描技术在更广阔的领域内得以使用提供了参考。

关键词三维激光；点云；数据采集；数据处理

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是近些年来出现的新技术，也是在测绘领域内继GPS技术之后的一又次技术革命，与以往传统的单点测量不同，三维激光扫描仪可以提供被扫描物体表面的三维点云数据，具有高精度、高效率的特点，因此在现代测量领域得到广泛应用。利用三维激光扫描仪激光测距的原理，仪器可以快速复制出数以万计的被扫描物体的点位信息及纹理信息，因此，与传统测量的单点测量模式相比，三维激光扫描技术有着实质性的突破。目前，三维激光扫描技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域均得到广泛应用。

1.点云数据外业采集

1.1点云采集常用方法

点云数据采集的方法多种多样，随着技术的不断发展及提升，目前比较常用的点云采集方法有：配合GPS、全站仪采集法、直接设站法。第一种方法由于可以套人全站仪、GPS的点位三维坐标数据，从而把点云数据引入全局坐标系，故其点云数据都是可以直接使用的真三维坐标，因此该方法与直接设站法相比在实际应用中得到广泛运用。

1.2设站注意事项

以吉林省长春市净月区某高档别墅区三维激光扫描工作为例，使用Z+FIMAGERS010C三维激光扫描仪，在设站进行三维激光扫描工作时应注意以下问题：

（1）设站之前应先规划出路线草图并实地勘察，确保测站间相互通视并且遮挡物较少，制定恰当的扫描路线，避免架设多余测站，或对同一物体重复扫描。

（2）仪器应架设在稳定且没有震动的地方，以免仪器在高速运转的工作过程中出现因仪器架设不稳而引起的点云数据失真，三维激光扫描仪每秒扫描数据点万余个，如果工作过程中出现移动或震动，势必对后续点云数据拼接产生影响从而增加工作量。

（3）根据数据拼接要求，测站间至少要有3个共同的标靶点才能完成点云数据拼接并确定点云空间位置，所以在标靶设置时，应确保满足任意两相邻测站之间有3个或以上共同标靶，以便于测站间数据拼接。

（4）在每一测站扫描完成后，应检查扫描的点云数据完整性及标靶球完整性，如有遗漏或缺失区域，应对局部区域进行补测，从而确保点云数据的拼接。

（5）绘制设站草图，标明标靶位置，有利于后续的拼接操作。在进行拼接操作的时候，如果有草图，可以更直接地找到拼接对象的位置，在拼接出现问题的时候也可以更直观地找到问题所在。

1 3标靶球摆放注意事项

标靶的摆放位置应适中，一般相邻两个测站之间的距离在80m-100m，所以标靶应置于距离测站40m～50m处；标靶球的摆放应避免形成一条直线，以便后续测站问的点云数据拼接；标靶应尽量避免置于被测物体表面，尤其是对小件重要物体的扫描，对后期点云数据的处理影响较大；标靶应避免置于反射能力较强物体周围，以免对标靶的扫描受到影响。

1.4图像采集注意事项

图像采集工作对于只需要提供点云数据的工作无影响，但是对于后期需要建模或者提供带RGB信息的点云数据有较大影响。一般采用Photoshop软件对采集的图片进行处理，利用z+FIMAGER5010C自带的z+FLaserControl、3ds Max AutoCAD等建模工具进行建模。采集照片时，人工采集图片应做到在被拍物体正面取像，避免遮挡，近景和远景组合拍照，这样才能将所拍摄的图片更好的应用到模型上，如果仪器自带图像采集功能，注意不要遮挡镜头，以免给后续图像处理工作带来额外工作量。

2.点云数据内业处理

点云数据处理的步骤一般分为去噪、精简、分割、配准、建立模型和贴纹理等。

（1）点云去噪。由于三维激光扫描仪在工作过程中360。无死角全方位扫描，因此以测站为中心所有的地物数据都会被记录下来，如需对点云数据进行拼接等后续处理，为加快拼接及数据处理速度，需将与目标建筑物不相关的点云删除，只留下相关的点云信息，在测站A扫描到的数据如图1所示。为便于配准及后续点云数据拼接，在图1的基础上还需进行细化去噪处理，去噪后如图2所示。

（2）点云数据拼接。常见的点云拼接方法有标靶拼接、坐标拼接两种方式。以Z+FIMAGER5010C为例，理想状态下的拼接精度可达到0.1mm，坐标拼接由于要手动选取特征点，因此人为因素会间接造成误差加大，从而引发数据超限，本次实验采用标靶拼接的方式，如图3所示，z+FLaser-Control可实现标靶球自动配准中心，从而降低点云数据拼接误差，提高拼接精度。

（3）点云建模。常见的点云数据建模方法有两种，一种是利用三维激光扫描仪自带的点云数据处理软件进行建模，以Z+F Laser Control为例，模型精度极高，但是，缺点也相当明显，相对于专业建模软件，自带点云处理软件建模效率较低，无法贴人纹理图片，导致最终建成的模型缺乏真实感和生动性。此次采用第三方软件3dsMax进行建模，纹理贴图后建模成果如图4所示。

在使用3dsMax建模时应注意要注意点云的选取，对重点目标物建立精模，次要部分做简模。在材质制作过程中，要注意对前期照片的加工和处理，避免由于光照、色差、对比度等因素的影响而造成的同一物体颜色不同或明暗程度不同等问题。从而确保模型在视觉上立体、直观、真实。另一种建模手段是利用Geomagic建模，该软件直接使用点云数据同样具备较高的建模效率，并且可以确保模型精度，但有其局限性。如果目标物体结构复杂，由于软件拟合后的面数较多，最终会导致导人或导出时发生长时间卡顿影响工作效率，因此还需根据实际工作需要来选择建模方式。以外，以上3种建模方式可以相互结合使用，并不产生冲突。

3.与传统测量方式对比

与传统测量方式对比，三维激光扫描仪优势明显，不论是在普通地形地貌地区还是在较复杂的地表信息上测量，三维激光扫描仪都可以一次性快速的完成扫描，并且能夠保证精度。三维激光扫描仪与传统测量方式性能对比情况如表1。

4.结束语

本文以吉林省长春市某高档别墅区为例，对三维激光扫描工作的内外业各项操作过程进行了探讨，并给出具体设计方案。详细阐述了三维激光扫描仪的数据获取、处理、建模过程，提出了多种建模手段相结合使用的新方法，旨在为三维激光扫描技术提供基本的技术支持，为三维激光扫描行业将来的发展提供思路，从而促进三维激光扫描技术的应用和发展。