利用激光点云数据求取假山表面积方法研究

毛 斌，朱岑岑，谢宏全，钱 鑫，高泽远

（江苏海洋大学 海洋技术与测绘学院，江苏 连云港 222005）

引言

当代在项目工程中为计算工程造价以及各方利益，工程项目表面积计算十分重要。由于某些工程项目表面结构的复杂性，传统的测量方法无法准确地测量工程表面的三维信息。如今，随着三维激光扫描技术的广泛推广，它为工程表面积的测量提供了一种新方法。利用三维激光扫描仪扫描完整的工程项目，能够更准确地获取工程表面的三维信息[1]。因此，三维激光快速而准确地计算项目表面积对工程预算具有十分重要的意义。

1 激光点云数据获取

1.1 实验对象选取

本次实验的要求为选取合适的假山并求取表面积。首先，选取的假山需要相对独立，周围没有遮挡物，方便架设仪器观察假山表面的窟窿的位置。其次，查看架设仪器的位置是否能够观察到假山表面窟窿的内部。选取的假山如果过高则需要观察周围是否有足够高的平台可以架设仪器并且扫描到假山顶部。

1.2 采集流程

本次试验采用的是球形标靶拼接模式；现场踏勘，确定合适的位置架设测量仪器以及球形标靶；确定扫描路线，在准备仪器设备的过程中需要注意本次试验需要一台三维激光扫描仪、四块充满电的电池、四个球形标靶、一个脚架、四个基座。在测量前需要挑选合适时间，避免当日气温过低影响测量结果。经过实地踏勘，决定设置6个测站，在假山周围放置4 个球形标靶。在徕卡C10 激光扫描仪中高分辨率代表每100m 可以扫描到点云间隔为5cm 的数据，每一个测站所用时间约为20min。主要步骤为架设对中整平、新建工程、低分辨率扫描确定范围、扫描假山、扫描标靶等[2]。

2 激光点云数据预处理

2.1 点云数据拼接与去噪

为使假山表面积的求取结果更加精确，同时也为了能够适用于后续软件，因此在计算表面积之前需要对假山点云数据进行预处理。将获取的数据导入电脑创建Registration，添加约束条件、进行图像拼接、检查结拼结果等操作误差小于为6mm 可行的如图1 所示。

本次数据采集采用的方法是标靶法，在数据采集的过程中难免会出现干扰物，如假山周边的房屋建筑和植被等，这些多余的数据需要在Cyclone 软件中通过裁剪等操作来进行处理需要进行初略去噪、精细去噪如图2所示。

2.2 点云数据抽稀

图1 拼接结果

图2 数据去噪

图3 不同间隔点云抽稀图

去噪后需要对处理完成的激光点云数据进行抽稀处理，根据假山表面积大小，实际假山表面的粗糙程度以及后续软件计算的精度，点云间隔分别设置为5mm、1cm、2cm、5cm。放大点云可以较清晰的看出点云间疏密的变化如图3 所示。

3 假山表面积计算

五种软件其中Si-scan 的计算结果为粗差，而Cyclone无法得出假山表面积[3]。Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE和3D Reshaper 计算出的假山表面积可以计算出结果见表1，分别用符号SGE、SHD 和S3D 表示，假山表面积变化如图4 所示。

表1 表面积计算结果统计

图4 不同软件计算出的假山表面积

4 计算结果统计与分析

4.1 结果处理

计算结果中S-GE、S-HD 和S-3D 分别代表Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE 和 3D Reshaper 计算 4 种不同抽稀间隔假表面积平均值。△S 为不同抽稀结果的假山表面积与不同抽稀间隔假山表面积平均值差（取绝对值）。△SGE/S-GE 为平均值之差与四种不同抽稀间隔假山表面积平均值的比值见表2。

表2 比值统计表

4.2 统计结果分析

为了更加直观的对三个软件进行对比评估，将从软件安装，操作难易，计算时间和计算精度进行比较分析[4]。由于2cm 点云在计算过程中较为顺畅，因此选择2cm 点云数据为例见表3。

5 结论

在本次试验中使用徕卡C10 三维激光扫描仪获取假山激光点云数据，再使用Cyclone 软件对假山激光点云数据进行预处理。通过对数据质量的检查，可知该方法是可行的，并且得到数据质量可靠可以供后面第三方软件使用计算表面积[5]。计算中 Geomagic Studio、HD_3LS_SCENE 和3D Reshaper 计算的结果是可信的。从表面积计算操作方面来看，Geomagic 操作较复杂，3D Reshaper 操作步骤较简便；从表面积计算精度方面来看，3D Reshaper 精度较高，HD_3LS_SCENE 软件精度较低。

表3 软件评估表