激光扫描在落笔洞三维实景建模中的应用

唐久清，柳学权，何 新

（海南华诚测绘科技有限公司，海南 三亚 572000）

0 引言

随着数字化技术的发展，三维实景模型在景区及文化遗址虚拟重现和智慧化管理等方面发挥着越来越重要的作用。传统的三维建模技术是借助全站仪等测量设备，采用接触式测量的方法进行特征数据采集和建模，费时耗力；近年来，涌现出无人机倾斜摄影、三维激光扫描等多种三维实景建模技术[1]，极大地提高了工作效率。相比而言，三维激光扫描数据精度高，装载平台灵活，可以搭载在空、地等多种平台上，适用于多种复杂场景的三维建模。

落笔洞文化遗址，距今有1万年左右，2001年被国务院列入第五批全国重点文物保护单位[2]，洞内天然形成的地面和石壁，曲折起伏，复杂多样，从区域空间和技术的适宜性上，本项目最终选择操作稳定、精确度高、技术比较成熟的地面三维激光扫描系统进行扫描，并基于激光点云完成对落笔洞及邻近洞穴的三维实景模型的构建。

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描是20世纪90年代出现的一项高新技术，它利用激光测距的原理，采集被测物体表面大量的三维坐标、反射率和纹理等点云信息，点云数据经过处理，可获取被测目标物体的线、面、体等各种图件数据[3]。相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术取得了从“点到面”测量的革命性技术突破[4]。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、数字城市、军事分析等领域也开展了很多的尝试、应用和探索。

三维激光扫描仪按照所搭载平台和应用环境的差异，一般分为地面、机载和星载系统[5]。地面激光扫描仪按照移动方式的不同，通常包含手持式、固定站式和移动式扫描仪。固定站式类似架站的全站仪，通常用三脚架作为支架，以单站扫描、多站点云拼接的方法实现整个目标测区的扫描和三维数据信息的整合。适用于目标物体密度大、精度比较高的区域。

本实例中，选用了地面固定站式的Z+F 5010C 3D扫描仪采集数据，该扫描仪主要的系统参数如下：扫描速度为101．6万点/s；扫描视角为320°×360°；测程为0．3～187．3 m；线性精度为 1 mm@50 m。

3.1 技术路线

在项目开始前，首先要对落笔洞及邻近洞穴内外的地形地貌情况进行认真的踏勘，特别是洞内重点的石钟乳、岩墙、洞坑等特殊洞体。实地详细踏勘后，制订出详细的技术路线和工作计划。该遗址所在的落笔洞旅游风景区，在现阶段实施的是全封闭式管理，不允许人员随便进出。在与景区管理单位沟通协调后，确定必须在一个月内完成数据采集工作，并且要保证在不会损伤和影响洞穴的情况下开展该项目工作。具体的技术流程如图1所示。

图1 技术流程图

2 落笔洞简介

落笔洞位于三亚市吉阳区落笔村落笔峰南侧岩壁下，在极高处有两根向下垂吊的钟乳石，形似两枝悬吊的笔，落笔洞正是由此而名。落笔洞的摩崖石刻众多，洞的周围还有不少的熔岩洞，有名的有“仙郎洞”（又名仙姑洞房，）、“仙女洞”等洞穴，各具特色。

3 项目实施

3.1 控制测量

在三亚已有连续运行参考站系统（Continuously Operating Reference System，CORS）控制点的基础上采用RTK和全站仪联合测量（洞外及洞口卫星信号好的地方，采用RTK测量；深入洞内，卫星信号差的地方，采用全站仪测量）的方式，布设覆盖落笔洞洞室内外的控制导线线路。由于落笔洞洞穴成狭长区域且狭长区域仅有单一出口，控制导线无法闭合，因此只能布设单一的附合导线。落笔洞洞穴导线控制测量后，平差计算出最弱点点位的中误差为4．2 cm，符合工程测量相关规范中，一级图根导线最弱点点位精度小于5 cm的要求。

3.2 数据采集与处理

数据的采集包含洞穴表面三维点云数据和影像数据。采用Z+F5010C3D相位式三维激光扫描仪，获取洞穴内地物地貌的三维实景模型所需的点云数据；洞穴内的光线比较昏暗，需要打开亮度均匀的光源，利用数码相机采集洞穴的表面影像。

3.2.1 激光扫描数据采集

布设扫描站点，合理安排扫描仪测站的位置，确保相邻站点数据具有特征点明显的重叠部分。扫描站点位置的布设有两种方式：一是设置在已知控制点上，二是根据洞穴内具体的情况和扫描需要，采取自由设站的方式进行扫描。

总体上，不管何种设站情况，都要保证相邻测站的扫描点云达到30%～50%的重叠率。同是，可以借助草图、站点编号或其他可标记的方式，绘制各测站点位置示意图，以便在后期数据的粗拼接时，能够准确地识别各测站点之间的位置关系，提高工作效率。在确保所布置的测站能完全覆盖测区和将目标物完全包围的基础上，还需要尽可能地优化或减少测站数，以便减少总数据量和测站的拼接次数。此外，要尽量避开遮挡物或者其他干扰。

3.2.2 点云数据处理

原始采集的点云为大量离散的点数据，包含大量无效的噪点和重复点，每站的点个数可达百万级以上，一般经过去噪、配准、简化及补洞等点云处理后，就能达到实用的要求。

首先在Z+F扫描仪后处理软件Z+FLaserControl中，对点云数据进行去噪等预处理，然后把经过预处理的点云数据导入JRC3DReconstructor软件中，进行分散的原始各站点点云数据的配准。

各站点点云拼接正确后，再经过简化等其他点云处理，即可导出为自带Z+FLaserControl查看器的三维点云模型，完成点云的处理工作。准确的三维点云可以进行量测、浏览等应用，也可以作为依据或基础进行二维图件和三维模型的制作。

3.3 三维建模

3.3.1 曲面重构法建模

利用点云数据进行三维建模的方法，主要分为两类：一类是自动化程度较高的曲面重构法建模，另一类是人工参与基于提取特征参数方式建模[6]。曲面重构法是通过点云拟合NURBS曲面的方法构建物体的三维模型，效率和自动化程度都比较高，不需要人工干预，适用于形体比较奇特复杂的目标物体。所以，本研究项目采用曲面重构法进行三维实体建模。

曲面重构法要求点云数据是完整的，如果物体某一个地方的点云数据有缺失，就会导致缺失的地方无法形成三角网格和曲面，这个地方随之也形成漏洞，目标物体的三维模型就会出现不完整或拉花现象。由于洞穴形状比较复杂，即使后期进行了补扫，仍有一些细节无法准确扫描到；好在天然形成的实体，细节的弧度一般符合流体的形状，所以利用Geomagic强大的点云数据及曲面编辑的功能，对照细节处的影像进行核对，按照溶洞物体表面的流体弧度特征，实现三维模型表面个别处的细节修整。

3.3.2 纹理映射

曲面重构法建立三角网模型后，为了增加模型的逼真度，通常要在三维实体模型上增加纹理，使其成为具有真实生动的效果。相机摄取的影像色彩信息或扫描仪采集的点云强度信息，通过纹理映射的方法，都可以附加到精细的三维模型上，并能够进行可视化的显示。在纹理映射前，需对影像匀光匀色、剪辑等后处理，精心挑选或处理每一个纹理影像，以达到清晰美观而真实的标准。

3.3.3 模型优化

模型优化主要的方法有多边形优化和去除重复面等。多边形优化主要是根据物体模型的曲率，设置数量合理的三角形网格，即在模型曲率大的地方，三角网格小而密，曲率大的地方，三角网格小而疏。多边形优化的效果是总体的三角形网格大大降低了，并且达到合理的分布和利用，计算机处理模型数据的速度提高了，但是模型精度并没有降低。

3.4 数据成果及三维实景应用

本项目中，基于落笔洞洞内外精确的三维激光扫描的点云数据，运用Z+FLaserControl等点云后处理软件及ATUO CAD等其他制图或模型处理软件完成了一系列成果的制作，例如三维点云模型、二维平面图、三维实体模型等，最后把三维实体模型导入第三方平台深入开发，满足各种具体的三维实景的应用。

3.4.1 三维点云数据模型

激光扫描技术采集的三维点云数据，含有扫描对象的三维地理位置信息和表面的纹理信息等，所以处理正确后的点云数据是一项重要的数据成果，本项目的点云数据在AutodeskReCap软件中，是一种可实现浏览、查询、量测的基础三维测绘成果。如图2所示，基于三维点云模型，对落笔洞进行量测，洞厅的分布范围长32 m、宽19 m、高12 m，容积约1 060 m3。

图2 落笔洞Z+F点云模型右视图效果

3.4.2 二维平面图件

项目图件成果采用AutoCAD2015软件进行制作，将拼接准确的点云调入软件后，参照点云，制作了落笔洞及周边景区的数字线划图（如图3所示）、正射影像图（如图4所示）等丰富的图件成果。

图3 落笔洞片区线划图

图4 落笔洞片区线划图

3.5.3 三维实体模型

采用曲面重构法建成的落笔洞模型（如图5所示），是一种可实现浏览、查询、量测及附加属性的实体模型，并且可以对实体模型进行修改、分割、添加及单体化制作等后期处理。

3.4.4 三维实景应用

制作好的三维实体模型，导入不同的三维可视化平台，进行深入的加工处理，可实现不同的三维实景应用。

（1）虚拟现实平台VEStudio，侧重于材质、光照效果表现，该平台三维实景的效果最为生动逼真，栩栩如生，适用于三维实景模型的展现和浏览。

（2）游戏仿真平台Unity3D，该平台侧重于交互处理、动画表现，适用于利用三维实景进行交互或游戏的开发应用。

（3）地理信息平台ArcGIS或SuperMAP，此类平台侧重于三维数据管理和空间分析，适用于三维场景中各类地物数据的统计分析、空间统计分析、导航定位及规划建设等。

各类三维实景应用，一方面可以录制成视频，在各类宣传终端进行展示宣传；另一方面可以在各类三维可视化平台上开发为各种在线的三维实景应用。

4 结语

采用地面三维激光扫描的方法可有效地解决复杂、异形、封闭空间的数据采集问题。三维激光扫描获取的点云信息丰富，所见即所得，能将视线所及的场景信息全部扫描并记录下来。

此次的三维激光扫描设备自带的全景相机采集的影像数据，与洞穴实际空间中的色彩（人工光源下）、纹理一致，对于后续三维建模、物质属性识别等均有直观的参考，极大地减少后续三维建模的工作量，提高了工作效率。

利用地面三维激光扫描技术可以准确地建立洞室内复杂场景的三维实景模型。不仅可以存储此类资源的数字化基础信息，还可以生动、逼真地进行展示与浏览；若对三维实景模型进一步开发利用，还可以进行规划、安防等各类智慧化管理与应用。