浅析三维扫描仪的点云数据处理

■牛建国

（河北省第二测绘院河北石家庄050031）

浅析三维扫描仪的点云数据处理

■牛建国

（河北省第二测绘院河北石家庄050031）

在测绘领域中三维激光扫描技术的应用，已经成为测绘领域的一项重要的技术革新，三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，能够提供物体表面的三维点云数据,突破了传统意义上的单点测量的方法。本文主要介绍了三维激光扫描技术以及其在数据处理和误差精度控制上的表现，分析其原因。

三维激光扫描技术数据处理精度控制

三维激光扫描技术是一门新型高效的测量技术，它是继GPS技术后又一项测绘技术的诞生。其在数据处理方法和获取方法以及服务能力水平上都进入了新的发展阶段。

1 三维激光扫描系统的分类

我国目前把三维激光扫描技术分为两类：机载型、地面型。在测量方式上还细化成移动式激光扫描系统、手持式激光扫描系统。在当前，地面型固定式三维激光扫描系统是目前最重要的扫描装置。其一般由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、电源以及其它的相关的附件组成。

2 地面型三维激光扫描系统的工作原理

三维激光扫描仪的发射器在进行工作时会向目标发射一个激光脉冲信号，这个信号在接触到物体表面是被反射回来，顺着相同的路线反向传回到接收器中，从而获取物体表面的三维数据。当脉冲在到达目标点时精密的时钟控制编码器同步测量每个脉冲横向扫描的观测值和纵向扫描的观测值。

3 三维扫描仪的点云数据处理

三维激光采集数据时采集的是点云数据，对点云数据的处理一般包括有下列各个步骤：

（1）噪声去除。噪声去除就是指将点云数据中的错误数据去除掉。由于某些原因的影响，会导致点云噪声这一现象的发生。比如说移动的车辆和行人还有树木，也同样会被扫描仪采集到，这些都是要在后续的工作中删除掉的。

（2）多视对齐。多视对齐是说被测量的物体的体型大或者外表比较复杂，那么在扫描时就不能一次性测出物体表面的所有数据，这样的情况需要我们从不同的位置，去进行多视角的多次扫描，多视对齐的实质就在于此。

（3）数据精简。点云数据的精简是指在海量的点云数据中，在不影响曲面重构和保持着一定精度的情况下需要对数据进行精简，而我们比较常用的精简模式有平均精简，按距离精简两种。如若想真实的反映扫描目标，那就需要准确的将需要扫描的数据用曲面表示出来，这项过程就是曲面重构。

（4）曲面重构。我们比较常见的曲面的表示种类有：细分曲面、暗含的函数表示、明确的函数表示、三角形网络、参数曲面、曲化的面片等。这里主要说说参数曲面重构和细分曲面重构。

参数曲面重构是对几何形状进行的描述，这项理论起源于上世纪60年代，它的主要思想是用一组基函数做为分权因子，在通过一组初始控制向量的线性组合获得形体的连续表示，我们一般采用的参数曲面有Bezier曲面，B样条曲面和NURBS曲面等。

细分曲面重构主要针对复杂的物体表面模型重建和曲面拼合问题，从初始的多面体控制网络开始，应用某种细分规则，对新生成的每个网格的顶点进行相继归集的计算，原始网格的几个相邻顶点的加权平均，通过不断的细分，逐渐将控制网格磨光。在无穷多次细分后，最终将控制网格将收敛于一张光滑曲面，这就是重建曲面。

4 三维激光扫描仪的精度分析

（1）三维激光扫描仪的测量误差分析。三维激光扫描系统的测量误差可分为两种；系统误差和偶然误差，系统误差可能会引起扫描点的坐标错误，可以通过公式的改正后修正系统来解决。测量系统的偶然误差是一些随机性的错误的集中体现。在测量误差上的影响因素较多，主要可以分为三类：仪器误差、与目标物体反射有关的误差和外界环境条件。仪器误差又包括激光测距误差，扫描角度测量误差。与目标物体反射面有关的误差主要是目标物体表面粗糙的原因。外界环境因素主要包括温度和气压等因素。

（2）三维激光扫描仪精度控制。在了解到相关的可能出现差错的原因后我们需要找到解决的对策来加以控制。在系统的测量误差上激光测距的影响相对比较重要，我们要防止在扫描仪脉冲计时的系统误差和测距技术中的不确定间隔的缺陷所引起的误差，需要运用一些好的技术处理发生的各种突变的误差。激光测距误差综合体现为测距中的固定误差和比例误差，我们可以用仪器检定确定测距误差的大小。在扫描角上引起的误差可以通过保证其水平和竖直的扫描角度，在转动中减少其振动，始终保持精确的角度。

（3）提高测量精度的方法。通过调整三维激光扫描系统的坐标设定，减少坐标系堆叠的步数，可以减少单个曲面片坐标系的堆叠的偏差，将激光扫描仪距离扫描物体的最大距离控制在标称距离的一半以内，也可以有效提高三维激光扫描技术在测量上的精确度，使三维激光扫描仪的工作能够更加有效的开展。

5 三维激光扫描仪技术在将来的发展

比较现在的三维激光扫描技术的发展现状，我们知道在未来，这项技术会有更加广泛地发展空间和明确的发展方向。通过自身的技术发展降低国内三维激光扫描仪的价格，拓宽国内的市场，规范三维激光扫描仪的数据格式，制定相关的数据标准。通过与传统的手段相结合，来克服精度和测距上的矛盾，实现长距离高精度的测量标准。在不断提高技术的基础上，侧重于研究技术核心下的新的测量数据方式，以及测量操作方式，从而提高测量的初始精度，采取改善数据算法的方式来不断降低数据在计算上的误差。

6 结语

三维激光扫描技术的产生和发展是时代进步的体现，推动了我们身边许多的行业发展和进步。同时这项技术使测量技术领域在数据的提供上，有了更高的精准度。尽管现在的三维激光扫描仪的价格过高，在有些的数据处理和精度测量上还存在着缺陷，但我相信随着这项技术的不断研究发展和合理化与规范化，在不久的将来这项技术一定会在数据处理和精确度上有一个质的飞跃。

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P2[文献码]B

1000-405X（2016）-6-203-1