基于三维建模的数字露头开发与开发应用

陈威

（长江大学地球科学学院，湖北 武汉430100）

三维立体显示是当今世界各国大力发展的新型显示技术，它的诞生与发展正在吸引越来越多人的关注，近年来，三维立体显示在医疗，军事，电视广播，视频游戏，教育，体育等诸多领域。三维显示技术也逐渐走向计算机终端，平板电脑终端，移动手机终端。因此三维立体显示与地质学相结合应用于地质调查领域也逐渐成为国内外的重要方向。

1 数据采集

1.1 采集方法

数据采集主要采用的技术手段为激光雷达数据采集技术，目前所存在的激光雷达主要分为机载激光雷达，车载激光雷达，星载激光雷达以及地面激光雷达四种类型。机载激光雷达即飞机搭载激光雷达，其主要特点是利用飞机或直升机等飞行器搭载激光雷达设备对目标进行扫描和数据采集，其精度可达10cm 左右，适用于地面测绘，水利工程，农业，林业以及城市规划等领域。车载激光雷达，即汽车搭载激光雷达，主要适用于地物侧面扫描和数据的采集，其精度可达每平方米数百个点。星载激光雷达即卫星搭载激光雷达，主要适用于海岸线变化，冰川变化监测，全球植被变化研究等诸多领域。地面激光雷达即在地面固定激光站点对目标进行扫描，精度达到毫米级别，每平方米可以有接近一万个数据点，广泛应用于建筑，考古，工业测量等方面。

1.2 数据采集设备的选择

数字露头主要用于地质调研和考察，因此对精度要求较高，对比目前常用的激光雷达设备，地面激光雷达更适合作为数字露头数据采集设备。

RIEGL VZ400 三维激光扫描仪RIEGL 公司供应，具有精度高，携带方便，数据采集速度快等优势，因此三维激光雷达设备选择该设备。

1.3 数据采集设备准备

RIEGL vz400 主机：内置存储器32G；可连接U 盘存储器便于数据传输；天线：与笔记本无线连接，短天线50 米以内；长天线50-100 米；数据传输与采集笔记本有线连接；电源线：交流电源（室内）；电池（室内或室外）；电池充电器；GPS：内置GPS 精度米级；采用点测差分GPS；三脚架；标靶；相机。

1.4 三维激光数据采集

扫描站点设置：

将三维激光雷达按照如图进行布置，对目标露头进行扫描，通过扫描收集地质露头返回的点云数据，根据露头的长度和宽度选择适当的扫描距离，并选择适当的扫描点，通过如图所示选择数个距离相同的扫描点，对露头进行完整覆盖。

图1 扫描站点布置图

2 数据整理

三维激光雷达-RIEGL vz400 对露头进行扫描后将点云数据进行存储后，然后运用与激光雷达相匹配软件Riscan Pro 对扫描获得点云数据进行处理。首先将相关数据进行导入，由于数据内存较大，上传时间可能存在较长的问题。由于露头面积较大，所以点云数据由多个基站收集的多个部分组成，因此点云数据需要进行拼接，以形成整体露头点云数据。对点云数据的拼接分为粗拼，精拼两个部分。首先对数据进行第一步粗拼即以中间基站为原则，由两边站向中间基站进行拼接，本次拼接通常在现场完成。

首次粗拼主要目的是查漏补缺，如有发现存在漏站情况，及时补扫，保证扫描露头点云数据的完整性。由于粗拼会出现分层现象，需要进行第二次精细拼接。

精细拼接首先进行相关数据准备，将扫描的点云数据导入软件中，然后进行data 选择：选择两站全景点云。最后进行相关参数设置，根据不同精度需要设置相应参数。将各站点扫描点云数据进行拼接。精细拼接主要依靠由中心向外发射的球型投影模型原理进行拼接。数据导入以及相关参数设置好后进行拼接，精细拼接后的数据以.txt 文件格式进行保存，为下一步三维建模做好数据前提准备。

3 三维建模

本次三维建模软件采用Geomagic Studio，该软件具有简化相应工作流程，提高工作效率，智能化程度高，兼容性强和支持多种格式等优点。

图2 精拼点云数据图

（1）点云数据处理

由于激光雷达在扫描地质露头时会产生一定程度的点云数据误差和干扰，以及导入的点云数据密度并不一定是适合建模的点云数据密度，因此需要对点云数据进行适当降噪和适当密度的采样，最后对点云数据进行封装使点云数据从点数据形态转化为多边形形态。

（2）多边形修正

点云数据经过处理后通过封装转化为多边形状态，多边形状态下，模型由多个多边形构成，多边形之间存在空洞，因此通过补洞方式对多边形进行优化，使得模型完整。补洞方式分为单个填充和全部填充，全部填充对用于简单模型，单个填充适用于对精度要求较高的模型。数字露头较为复杂，且精度要求较高，因此选择单个空逐步填充。

（3）曲面拟合

封装后的模型从点云状态转化为曲面模型，但该模型存在模型边界拟合不完整的问题，因此需手动对模型曲面进行补充拟合，以此达到完善模型的目的。

模型贴图：

三维模型在Geomagic Studio 中完整封装处理后导入ModelPainter 软件进行最后的模型贴图。ModelPainter 由武汉大势智慧科技有限公司为解决三维模型纹理贴图研发的专业软件，实现了将二维光学影像映射到高精度三维模型上，并有效解决图像衔接纹理接缝，图像色差，变形等相应问题。

图3 模型贴图流程

通过贴图大师软件，对三维模型和露头照片进行贴合，形成完整的数字露头模型，如图2，模型呈现三维状态，且纹理清晰，并可从多角度进行观察学习，其清晰度、精度可满足相关学习和科研要求，达到了从地质数字露头的三维虚拟可视化的目的。

4 结论

图4 数字露头模型成图

数字露头在地质调查中的应用不仅可以丰富调查方式，而且可以打破传统调查方式桎梏，对方式方法进行创新。数字露头的建立，不仅有利于地质调查质量的提高，而且研究人员可以充分利用数字露头的可反复性，进行多次调查研究。数字露头大大节约了调查成本，野外实地考察实习，对经费要求较高，多用于交通，食宿以及地质设备的购买与损耗。数字露头的应用不仅可以减少野外考察的次数，并且大大降低了地质调查的相关成本，同时，研究人员可以通过反复学习研究，对技术难点进行深入调研，逐渐发现了数字露头在地质勘探领域的实践过程中具有较强的应用价值，若逐步推广应用到国内各地矿单位进行实践，必将大大改善地质勘探与开发应用环境，提高相关效率和质量。