地面激光扫描和数码相机在化石重建中的应用

于明旭，纪志浩，黄国斌，林乐胜

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州22116；2.中国煤炭地质总局普查队，江苏 徐州22116）

三维激光扫描测量技术是继GPS全球定位系统后的一项测绘领域全新技术。其优点为数据量大，扫描精度高，数据采集速度快，实时性强，主动性强。在不接触物体的情况下，可直接获得高密度扫描点云数据，点云数据可快速对现实世界进行虚拟重现和三维重建。近几年，随着三维激光扫描技术迅速发展，地面三维激光扫描系统应运而生。其在三维模型重建、地形可视化等领域已经得到广泛应用。

1 地面三维激光扫描仪的工作原理与分类

1.1 工作原理

激光扫描仪通过其内部的激光发射器发射激光脉冲，再由接收器接收目标物体反射回的激光脉冲，通过测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间或相位差，即可自动计算出测距观测值S和反射强度I，由精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲纵向天顶角度值θ和水平方向角度值α。地面三维激光扫描测量系统一般使用扫描仪坐标系统，坐标原点是仪器的中心，X 轴在横向扫描面内，Y 轴在横向扫描面内与X 轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直（见图1）。由几何关系可得到三维激光脚点坐标计算公式

x＝Scosθcosα，y＝Scosθcosα，z＝Ssinθ.

扫描点的反射强度值I用于给反射点云匹配颜色。通过上述方法即可获得被测对象的离散采样点集合，即激光点云。

图1 坐标系

1.2 分类

按扫描成像方式分为全景式扫描仪，摄影式扫描仪和混合型扫描式。按激光光速发射方式可划分为三角法扫描仪，灯泡式扫描仪以及扇形扫描仪和外置相机扫描仪。按与数码相机结合应用方式分为内置相机型扫描仪。内置相机型扫描仪优点是采集数据前，无需安装相机，无需做激光扫描仪与相机标定和校对工作，节约时间。缺点是不能升级和更换，镜头不能随距离远近而调整，显示纹理效果较差。外置相机型扫描仪优点是数码相机容易升级和更换，根据扫描物体的距离远近，可选择使用不同焦距的镜头。优点是像素高，分辨率高，镜头失真小，具有定量测量精度效果；缺点是使用前相机与激光扫描仪做联机标定和校对，才能确保点云涂色与纹理映射的精度。本实验使用外置相机。

2 三维激光扫描仪系统数据获取

以中国地质大学化石林中的化石为重建对象，利用Riegl VZ－400激光扫描仪，通过使用RiSCAN PRO 和Geomagic Studio软件建立部分化石3D 模型，工作流程如图2所示。

图2 工作流程

1）实地勘察与测站设计以及数据获取准备工作。分析现场地形、地物分布特点，合理设计扫描站，为获得全方位的点云数据，必须在不同方向、不同角度进行场景扫描。

2）相邻扫描站拼接：由于从不同扫描站获得的点云是各自独立的局部坐标系即扫描仪坐标系，要建立一个完整的三维模型，将所有扫描站配准到一个统一坐标系下。由于化石林实际场景复杂，在采集数据时，没有粘贴标靶点，所以配准时，在相邻两站手动添加标靶点。手动添加标靶点注意以下几点：①所选同名点对个数N≥4，保证有多余观测点对，提高配准精度；②在同一站中所选标靶点距离要远些；③在同一站中添加标靶点应不在同一平面内，也不要在同一个高度上，此时标靶点能够更好起到控制点的作用；④手动添加的标靶点尽量在特征明显的物体上，减小同名点位置上的偏差。两站点云配准前后分别如图3（a）、（b）所示。

图3 配准前后示意图

所有站配准在一起的点云如图4所示。

图4 所有站配准后点云

3）点云数据处理：在RiSCAN Pro软件中对离散点云数据进行重采样、滤波、平滑、匀化、删除冗余数据等处理，最终提取的目标点云数据如图5所示。要根据数据的实际应用决定数据的滤波平滑程度，本实验中对化石的细部特征要求较高，所以处理时，尽量保存原始数据，保留化石的细节特征。

图5 处理后部分化石点云

3 由点云生成化石几何建模

将处理后的点云数据导入到Geomagic Studio中进行三维建模，点云阶段处理后如图6所示。从图6可以看出，对点云进行三角化后，有滥面，所以，对封装后的多边形进行处理，多边形处理过程包括：修补多边形，去除重叠的多边形，调整多边形数量，光滑多边形，监测与校正多边形，处理后的多边形如图7所示。曲面阶段处理过程包括：构建轮廓，监测轮廓、监测曲率，构建曲面，构建格网，拟合曲面。最终拟合的化石曲面如图8所示。

4 纹理映射

拟合后曲面模型（见图8）以.ply格式导入到RiSCAN PRO 软件中，进行纹理粘贴。纹理映射使用的照片有两类：一类是通过固定在扫描仪的数码相机所采集的高分辨率相片获取纹理信息，另一类是自由照片。本实验使用自由照片进行纹理映射。先对自由照片进行定位，对定位后照片做无畸变处理，选择相应场景照片进行纹理映射，结果如图9所示。

5 结束语

使用地面三维激光扫描仪和数码相机相结合方式对化石重建，尤其在纹理映射时尝试自由照片，使映射纹理后的模型更逼真且可以快速完成纹理贴图。试验表明这种方法有效可行。

［1］喜文飞，方源敏，李帅，等.一种新的激光点云数据精简方法［J］.测绘工程，2012，21（4）：38－40.

［2］梁振华，王晨，谢宏全.基于莱卡C10获取校园三维点云数据设计［J］.测绘工程，2013，22（1）：47－50.

［3］藏克.基于Riegl三维激光扫描仪数据的初步研究［J］.首都师范大学学报，2007（2）：77－81.

［4］Habib，Schenk.A new approach for matching surfaces from laser scanners and optical sensors ［J］.IAPRS.2011，32（3）：68－75.

［5］邓非.利用激光扫描和数码相机进行古建筑三维重建研究［J］.测绘科学，2007（3）：29－30.

［6］马立广.地面三维激光扫描仪的分类与应用［J］.地理空间信息，2005（6）：60－62.

［7］于娇，赵永平，王喻红.基于矢量化地形图的公路纸上定线自动化实现技术［J］.交通科技与经济，2012，14（5）：125－128.

［8］王秋平，段瑞.基于ArcGIS的三维可视化分析［J］.交通科技与经济，2011，13（1）：115－118.