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【摘要】利用拓普康GLS-1000型激光掃描儀對(duì)長(zhǎng)嶼硐天局部區(qū)域掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維坐標(biāo)校正、拼接、去噪處理，最終利用逆向工程技術(shù)軟件（GeomagicStudio）進(jìn)行三維建模。為地質(zhì)環(huán)境治理、危巖評(píng)估和處理、景觀設(shè)計(jì)提供三維模型及相關(guān)數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù);點(diǎn)云;坐標(biāo);校正;三維建模

1.引言

三維激光掃描技術(shù)（3DLaserScanningTechnology）采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式迅速地獲取物體表面大量采樣點(diǎn)高精度三維空間坐標(biāo)，快速地將物體表面的信息轉(zhuǎn)換成可處理的三維數(shù)據(jù)。近幾年在古建筑保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)、地質(zhì)環(huán)境治理、景觀和佛像三維建模等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文以其在長(zhǎng)嶼硐天地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用為例進(jìn)行探討。長(zhǎng)嶼硐天坐落舉世聞名的“石板之鄉(xiāng)”浙江省溫嶺市長(zhǎng)嶼鎮(zhèn)境內(nèi)，為省級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)，是全國(guó)規(guī)模最大的人工開(kāi)鑿石硐風(fēng)景區(qū)，2004年4月被國(guó)家旅游局評(píng)為國(guó)家AAAA旅游區(qū)，2005年被評(píng)為世界地質(zhì)公園。為了擴(kuò)大景區(qū)規(guī)模，打造國(guó)內(nèi)一流景點(diǎn)，需對(duì)長(zhǎng)嶼硐天花居硐群、華玄硐群等區(qū)域進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。硐內(nèi)光線微弱，削壁成廊，天窗頂空，石架懸橋，層疊有致，變幻莫測(cè)，宛若迷宮，地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜。常規(guī)的測(cè)量手段難以為地質(zhì)環(huán)境治理及景觀設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。最終采用了三維激光掃描技術(shù)對(duì)硐群內(nèi)的部分區(qū)域行了三維掃描并建模，為地質(zhì)環(huán)境治理、危巖評(píng)估和處理、景觀設(shè)計(jì)提供三維模型及相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

2.1控制測(cè)量

硐群面積較大內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)整個(gè)硐群進(jìn)行三維建模不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力成本巨大而且將整個(gè)硐群數(shù)據(jù)拼到一起其數(shù)據(jù)量是海量處理起來(lái)極其困難。因此我們選取典型的硐室大廳及需要進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害處理的區(qū)域進(jìn)行掃描。為了保證各掃描區(qū)域納入到統(tǒng)一的坐標(biāo)系內(nèi)，我們對(duì)整個(gè)硐群進(jìn)行了控制測(cè)量?？刂泣c(diǎn)使用1″級(jí)全站儀按導(dǎo)線測(cè)量方法施測(cè)，臨近控制點(diǎn)相對(duì)位置點(diǎn)位中誤差控制在±3cm以?xún)?nèi)。

2.2三維激光掃描

(1)掃描儀型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

三維激光掃描儀選用拓普康公司GLS-1000型激光掃描儀，此掃描儀掃描鏡為擺動(dòng)掃描鏡。掃描儀技術(shù)參數(shù)如表1所示。由上表1可知，GLS-1000型激光掃描儀測(cè)量距離較長(zhǎng)，視場(chǎng)范圍也比較廣，尤其是單點(diǎn)定位精度150米僅為±4mm，完全能滿(mǎn)足測(cè)繪精度，最高掃描速率能達(dá)到3000點(diǎn)每秒，這是普通測(cè)量方法遙不可及的一個(gè)數(shù)據(jù)量。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

將掃描儀固定在三腳架上，掃描儀與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)入到計(jì)算機(jī)控制模式以實(shí)現(xiàn)全程可視化掃描，三維可視化掃描不僅給操作人員帶來(lái)了便利，也在很大程度上保證了工作質(zhì)量和效率，減少了返工率，并且海量數(shù)據(jù)可直接存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)。利用掃描儀傳到計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)影像精準(zhǔn)確定掃描范圍，再根據(jù)工程需要設(shè)定采樣間隔。硐群內(nèi)有些區(qū)域漆黑一片完全處于黑暗狀態(tài)，三維激光掃描儀不受光線條件影響的優(yōu)勢(shì)，在此工程得到了充分的發(fā)揮。在光線較好區(qū)域掃描時(shí)選擇拍照、掃描同步模式，這樣不僅采集了掃描對(duì)象的三維坐標(biāo)同時(shí)也獲取了影像信息。把影像中顏色屬性附著到點(diǎn)云中使點(diǎn)云更具可視效果，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及建模提供了重要參考。具體效果如圖（1）所示。GLS-1000型三維激光掃描儀的視場(chǎng)范圍為360°×70°，當(dāng)儀器水平架設(shè)是它的上下擺動(dòng)角度為±35°。在+35°—+90°和-35°—-90°之間是視場(chǎng)盲區(qū)。硐群內(nèi)空間狹小，設(shè)站點(diǎn)到掃描目標(biāo)間的水平距離不超過(guò)40米，因此高于儀器28米（tan（35°）*40）的目標(biāo)物將無(wú)法掃描。此時(shí)就要用到傾斜支架，GLS-1000型三維激光掃描儀傾斜可以使儀器傾斜掃描（傾斜角度為15°—90°每15°為一檔）。通過(guò)傾斜掃描可將GLS-1000型三維激光掃描儀的視場(chǎng)范圍擴(kuò)大到360°×360°基本無(wú)盲區(qū)。但使用傾斜支架會(huì)將支架誤差累積到掃描誤差中，為消除此項(xiàng)誤差，不同站點(diǎn)掃描時(shí)均應(yīng)掃描3個(gè)以上靶標(biāo)，作為內(nèi)定向標(biāo)志物。

3.掃描數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理總體可分為四個(gè)步驟：點(diǎn)云坐標(biāo)定向校正、點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及三維建模。

3.1點(diǎn)云坐標(biāo)定向校正

前文講到三維激光掃描儀所采集的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)均是以其自身坐標(biāo)系為依托進(jìn)行采集和存儲(chǔ)的，要得到我們所需要的統(tǒng)一的國(guó)家或地方坐標(biāo)系數(shù)據(jù)要進(jìn)行坐標(biāo)定向校正。點(diǎn)云坐標(biāo)定向校正一般用拓?fù)淇礕LS-1000掃描儀自帶處理軟件（TopconScanMaster）來(lái)處理。把儀器測(cè)站坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)歸算到我們所需要的統(tǒng)一的國(guó)家或地方坐標(biāo)系數(shù)據(jù)稱(chēng)為絕對(duì)定向。在TopconScanMaster軟件中絕對(duì)定向基本步驟如下：①把掃描的靶標(biāo)生成聯(lián)結(jié)點(diǎn)；②輸入各靶標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)；③建立各聯(lián)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與各靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)鏈接（即找共同點(diǎn)）；④注冊(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。完成以上四個(gè)步驟后，點(diǎn)云坐標(biāo)已被校正。絕對(duì)定向完成后應(yīng)驗(yàn)證其定向精度，在實(shí)際作業(yè)中一般通過(guò)掃描3個(gè)以上靶標(biāo)來(lái)驗(yàn)證其定向精度，或采用多個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行平差定向來(lái)保證其精度和可靠性。

3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化

點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化主要是刪除冗余數(shù)據(jù)及重采樣和去噪處理。這個(gè)過(guò)程同樣在TopconScanMaster軟件中進(jìn)行。點(diǎn)云的冗余數(shù)據(jù)主要是指目標(biāo)掃描對(duì)象以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，例如遮擋掃描視線的植被或其他雜物的點(diǎn)云坐標(biāo)信息就屬于冗余數(shù)據(jù)。冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)的刪除是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，目前還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)智能化刪除或提取點(diǎn)云，還需要人工干預(yù)的方法來(lái)解決。人工干預(yù)的方法有幾種，通常主要借助點(diǎn)云的顏色信息，根據(jù)顏色來(lái)判別點(diǎn)云是否屬于目標(biāo)掃描對(duì)象，然后進(jìn)行取舍；還有就是根據(jù)點(diǎn)云的位置信息判斷點(diǎn)云之間是否連續(xù)是否屬于同一個(gè)對(duì)象；另外就是根據(jù)工作記錄和現(xiàn)場(chǎng)獲取的照片信息進(jìn)行綜合取舍。

3.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

通過(guò)定向、優(yōu)化后的數(shù)據(jù)實(shí)際上已納入到同一個(gè)坐標(biāo)系中，把同一掃描目標(biāo)中不同測(cè)站數(shù)據(jù)拼到一起理論上重合掃描區(qū)域應(yīng)該能完全融合。可實(shí)際上由于各種誤差存在如儀器掃描誤差、靶標(biāo)坐標(biāo)測(cè)量誤差、儀器系統(tǒng)差以及人為因素造成的誤差使得拼接后的數(shù)據(jù)可能存在偏差。在這類(lèi)工程項(xiàng)目中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的間距一般控制在5—10cm左右，如果測(cè)站間誤差超高2倍點(diǎn)間距，在三維建模時(shí)在測(cè)站重合掃描區(qū)域會(huì)出現(xiàn)雙層面現(xiàn)象。測(cè)站間數(shù)據(jù)拼接一般分以下幾種情況處理。(1)測(cè)站間誤差小于1倍點(diǎn)間距時(shí)，可適當(dāng)放大重合數(shù)據(jù)的范圍，進(jìn)行直接數(shù)據(jù)融合不做任何處理。(2)測(cè)站間誤差大于1倍點(diǎn)間距而小于2倍點(diǎn)間距時(shí)，可適當(dāng)減小重合數(shù)據(jù)范圍。并對(duì)重合區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣和去噪處理，使其建模達(dá)到最佳效果。(3)測(cè)站間誤差大于2倍點(diǎn)間距時(shí)，就要對(duì)重合區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化重采樣和去噪處理?；蛘卟扇∪斯じ深A(yù)處理。人工干預(yù)方法主要有兩種：一是通過(guò)重合區(qū)域的特征點(diǎn)對(duì)其中一個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，并對(duì)處理后的重合區(qū)域再進(jìn)行重采樣和去噪處理。二是強(qiáng)行刪除效果較差測(cè)站的重合數(shù)據(jù)，使測(cè)站數(shù)據(jù)間留出一條縫隙，再建模時(shí)進(jìn)行人工修補(bǔ)。如果測(cè)站間誤差超過(guò)2倍點(diǎn)間距時(shí)，就屬于誤差超限，應(yīng)進(jìn)行重新掃描。保證測(cè)站間數(shù)據(jù)的精度和可靠性是至關(guān)重要的，在作業(yè)前一定要有相關(guān)措施。①確?？刂泣c(diǎn)的成果精度可靠性。②儀器掃描靶標(biāo)后需對(duì)掃描精度進(jìn)行評(píng)估，最好通過(guò)掃描多個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行平差定向。③在重合區(qū)域的掃描面上設(shè)置一次性靶標(biāo)，數(shù)據(jù)拼接時(shí)根據(jù)重合靶標(biāo)進(jìn)行拼接。

3.4三維建模

三維建模是掃描數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)。GTS-1000型激光掃描儀自帶處理軟件TopconScanMaster并非專(zhuān)業(yè)工程軟件，無(wú)論是處理速度還是建模效果上都不太理想。特別是對(duì)于復(fù)雜的硐群崖面根本無(wú)法處理。最終選用了GeomagicStudio逆向工程應(yīng)用軟件作為建模軟件。GeomagicStudio具有強(qiáng)大的建模功能，在逆向建模工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。該軟件遵循點(diǎn)階段—多邊形階段—曲面段的三階段作業(yè)流程，可以輕而易舉地從點(diǎn)云創(chuàng)建完美的多邊形模型和樣條四邊形網(wǎng)格，并轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，建模效率高；同時(shí)還提供多重三維輸出格式，方便與多種實(shí)體造型軟件接口。本工程主要采用三角網(wǎng)法進(jìn)行建模（GeomagicStudio軟件中稱(chēng)為“封裝”）。軟件導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)后先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行減少噪音、重新采樣處理。減少噪音處理主要是消除掃描目標(biāo)表面明顯的噪聲點(diǎn)，使其表面變得更加平滑。重新采樣則是根據(jù)工程需要重新設(shè)置點(diǎn)云數(shù)據(jù)的間隔，在保證掃描目標(biāo)真實(shí)性的前提下減少數(shù)據(jù)量。減少噪音、重新采樣處理完成后設(shè)置合理的參數(shù)進(jìn)行封裝處理。封裝的速度視其點(diǎn)云數(shù)據(jù)大小和封裝對(duì)象復(fù)雜程度而定，幾十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)能在10—20分鐘內(nèi)完成。封裝后能得到基本三維模型。得到基本三維模型后，使用GeomagicStudio軟件相關(guān)功能對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，模型中間的空隙還要按曲率進(jìn)行填充修補(bǔ)，最終獲得與實(shí)際最接近的完整的模型。圖3為軟件處理后的最終效果圖。

4.結(jié)論與體會(huì)

三維激光掃描技術(shù)來(lái)開(kāi)展人工開(kāi)采礦山的測(cè)量工作，為我們提供了可靠、快速、精準(zhǔn)、安全的技術(shù)解決方案。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)嶼硐天部分區(qū)域的三維激光掃描及建模為地質(zhì)環(huán)境治理、危巖評(píng)估和處理、景觀設(shè)計(jì)提供三維模型及相關(guān)數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，但真正要應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中像儀器掃描速度、數(shù)據(jù)的融合拼接、專(zhuān)業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)利用等方面有待于更深入的研究。

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作者:趙輝 黃娜