浅析三维激光扫描仪数据建模方法

杨玉平 杨珂凡

（上饶市水利电力勘测设计院 江西上饶 334000）

1 引言

在传统测量领域，主要通过全站仪、GPS接收机获取信息，对结构复杂的构筑物进行描述时体现出现率低下，信息采集不到等缺点[1]。三维激光扫描技术很好地解决了相关问题。

这一新技术的创造和发展将测绘数据的点位信息采集和信息处理的方法带入到新的层面[2]。三维激光扫描技术具有高程度的制动化，主动性和适应性好等优点[3]。

2 建模实施过程

使用三维激光扫描仪进行工作时，它的操作步骤包括制定计划、外业采集和内业数据处理。在开始工作之前要制定好工作计划。数据外业采集工作的制定和执行合理性直接决定采集数据的质量，从而影响点云数据的后期三维模型建立的精度和质量；数据内业处理也是关键的部分。三维建模的质量在很大程度上取决于前期点云数据的采集精度以及预处理的精细程度，因此点云数据的采集及其处理尤为重要[4]。

2.1 点云数据的采集

首先FARO在校门进行了扫描,校门外左右各设了1个站点,校门下设了1个站点,校门与女娲像间设了2个站点。设站时天气多云,气候条件较好,有利于扫描仪扫描,每站用时15分左右。因点与数据的精度会受到测站位置的影响，测站的摆放是施测前很重要的一个步骤，在数据获取过程中对数据质量会造成很大影响。操作者在进行完踏勘之后，恰当的布设测站点不仅可以有效的减少数据冗余，还能够提高点云配准时的精度以及后期建模的精度。

为了保证点与数据的精度，设置测站的时候要注意以下几点：第一要保证目标对象在仪器的有效扫描视场内。虽然从仪器的参数上显示仪器的扫描范围很大，但在数据采集中由于受到各种外来因素的干扰，不可能达到仪器标称的有效视场。第二要合理布局测站数，做到既能减少盲区，又能不造成太多数据的重复扫描区域。一般来讲保持在百分之二十到百分之三十比较好。如果数据出现盲区将会对后期建模造成难度并且会降低建模精度，但是数据的重复扫描区域过多，不仅会增加外业工作量，而且会增加点云预处理和后期建模的工作量。第三在现场地形允许的情况下要确保扫描仪的扫描姿势处于正直扫描状态，这是由于目标物体与扫描激光束的夹角太大可能会造成一定的误差[5]。因此在布设站点时，应当尽量使仪器正直扫描。第四要合理安排标靶的位置和数量，三维激光扫描仪应用于滑坡变形监测等应用时，需要把独立的测量坐标转换在实际的坐标系下，因此标靶位置的布设相当重要，放置标靶一定要放在能够通视的地方，以便于点云数据的拼接，合理的布局有利于提高转换坐标的精度[6]。一般仪器配置的标靶数量并不多，这时应该要注意在两个测站上，应至少放置三个标靶（三标靶不共线），当有必要放四个公共标靶的时候，则应该有必要地避开四个标靶共面的情形。

2.2 数据处理

在建模之前需要对数据进行相应预处理，以获得合适的点云数据。扫描获得的点云数据量非常庞大，点云的处理是一项非常复杂的工作。首先要对获取的数据进行加工处理，这包括检查点云数据的完整，一般采集的点云数据都会含有各种各样的噪声，需要对点云数据进行去噪；还有要对点云数据进行精简。对初始点云数据进行各种处理之后，就可以用于建立起相应的三维模型。一般对原始数据的处理包括以下步骤:清理点云、数据配准、数据的分割缩减、曲面拟合等[7]。

2.3 建模

Geomagic的作业流程包括点云处理、多边形阶段的操作、网格参数化、NURBS进行曲面的拟合，大大节省传统式曲面造型所需要投入的时间和人数。在Geomagic Studio中首先是对点云进行去噪、剔除；三角网格曲面就是在这些经过预处理后的点云基础上重建而来，然后就可以对其进行编辑修补、分割以及参数化设置、栅格化和光滑等一系列操作后，最后经过曲面拟合来得到光顺的NURBS曲面[8]。最终得到模型如图1所示。

图1 激光点云模型

3 三维重建模型的质量评价

建模应用中，精度是衡量所建模型质量好坏的标准，当前的精度判断是通过重建的模型和物体的实际尺寸等方面的偏差来衡量判断。这种评价是一种整体对比的评价，它通过认真地比较得出具体的数量关系，也可以称为是一种量化的评价，我们可以从重构曲面片与实物曲面的偏差；重建后的模型和实际对象的比较，如面积、体积、尺寸。当专门针对曲面模型的评价时，我们可以通过非量化的评价如模型表面的光滑性、光照效果、贴图效果。对于目标物体是比较规则的情况，就能通过整体量化的评价的方式对比重建后的模型和实际物体的几何尺寸等进行精度评价。针对具有复杂几何外型的目标对象的时候就只能使用局部评价指标了，包含量化和非量化两种。评价的方法还可以采用最小距离、最大距离、平均距离等来进行[9]。

4 模型重建的误差来源及对策

模型重建的误差来源主要分为两个部分，第一种是点云数据本身的测量误差；第二种就是整个重建模型过程中产生的误差。第一种误差指的是仪器本身的误差、与被扫描的物体表面比如物理属性有关的误差、外界环境条件的影响等。第二种误差包含了数据处理造成的误差和曲面阶段产生的误差有很多，比如点云数据的转换、点云的精简以及对曲面进行拟合等步骤都会造成一定的误差。在曲面阶段总是会产生各种各样的计算、操作误差，在逆向工程领域，专业的处理软件都带有特有的检测分析功能，如Geomagic就具有3D比较功能，据此可以区分出两个模型之间的误差和精度。减小误差的办法总是以尽可能地减小为目的。在整个实验过程中，误差不可避免地存在于各个步骤。我们只有从误差的根源着手，将各种误差尽可能的减小或控制在数据允许范围之内，才能达到要求。在逆向工程中，控制误差大小总的原则包含满足模型的几何尺寸、力学性能和装配要求。通常通过选择更加实用的测量设备和方法，在条件允许的情况下，选择精度较高的仪器；尽量减少人为因素（如视觉误差、操作误差、标靶的放置)造成的影响；提高点云计算的精度并且尽可能减少数据的转换；另外建模过程中要根据实际情况选择更有利于提高精度的封装和拟合方法，并且及时对当前构建的模型进行分析和修改，尽量减小处理过程中的误差。

5 结束语

随着三维激光扫描技术的高速发展以及其相关软硬件的日益成熟，该技术已经在生产和生活中的众多领域起着越来越重要的作用，应用也越来越广泛。三维激光扫描仪以它独特的优势，在变形监测、地形测绘、土方量计算、管道设计、桥梁和工业产品的制造等方面越来越多的运用到。基于点云数据的三维建模技术伴随着广泛的应用，建立完整、精确的三维空间信息数据模型具有崭新意义。文章把三维建模应用作为目的，以点云数据为出发点，通过对点云数据的一系列前期处理过程以及建模的重要步骤进行了探讨研究，最终完成了建模，取得不错效果。三维激光扫描技术还存在诸多不足，其未来发展的难点和发展趋势总结如下：

1）与传统测量仪器相比，三维激光扫描仪质量较重、体积较大，给外业的搬运和操作造成不便，今后应该向仪器的轻型化、小型化和便捷化发展。

2）不同的扫描仪配套的数据处理软件各不相同，且数据格式不统一，用其他软件无法打开，相互之间数据不兼容，应该统一数据格式。

3）各个软件对点云数据的处理过程和方法比较复杂，而且对计算机软件硬件的要求比较高，应该对软件进行更深度的开发，达到对大量点云数据处理的自动化和高效化。

4）三维激光扫描仪比较贵，基本都在一百万元以上，难以满足普通化需求和推广普及应用，三维激光扫描仪应该国产化大力开发研制具有自主创新的高精度的扫描仪器。

5）通过联系其他测量设备（如GPS、全站仪等）进行三维激光扫描仪系统的合作测量，可以实现不同仪器间的数据连接、共享，以完成实时的定位以及高精度的测站高度集成化作业。