1 三維激光掃描技術(shù)簡介
1.1 三維激光掃描儀原理 三維激光掃描儀主要由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、彩色CCD相機(jī)、控制電路板、微電腦和軟件等組成。激光脈沖發(fā)射器周期地驅(qū)動激光二極管發(fā)射激光脈沖，由接收透鏡接受目標(biāo)表面后向反射信號，產(chǎn)生接收信號，利用穩(wěn)定的石英時鐘對發(fā)射與接收時間差作計數(shù)，*后由微電腦通過軟件，按照算法處理原始數(shù)據(jù)，從中計算出采樣點的空間距離;通過傳動裝置的掃描運動，完成對物體的全方位掃描;然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理從而獲取目標(biāo)表面的點云數(shù)據(jù)。同時，彩色CCD相機(jī)拍攝被測物體的彩色照片，記錄物體的顏色信息，采用貼圖技術(shù)將所攝取的物體的顏色信息匹配到各個被測點上，得到物體的彩色三維信息。
1.2 應(yīng)用領(lǐng)域 三維激光掃描系統(tǒng)在測繪領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，除此以外，它還廣泛用于概念設(shè)計仿真、交通事故現(xiàn)場勘測、森林計測、虛擬設(shè)計制造、電腦模擬實戰(zhàn)、學(xué)術(shù)科研、汽車制造醫(yī)學(xué)研究與臨床診斷**等領(lǐng)域。
2 三維激光掃描采集方案
2.1 現(xiàn)場踏勘與定點 為了獲得地理場景的三維完整信息，需要多測站多角度對場景進(jìn)行掃描。一般可根據(jù)實地情況布置4-10個站點，并且為了以后的點云配準(zhǔn)，要合理安排標(biāo)簽的位置和數(shù)量。根據(jù)地形條件和測量的具體條件來計劃掃描的路線和測站點的位置;然后到實地勘測，查看所計劃的路線和導(dǎo)線點位置是否合適;并把改動計劃在圖上標(biāo)明。若測區(qū)沒有現(xiàn)成的地形圖或者測區(qū)范圍不大，可以實地勘察、選擇路線的同時確定測站點。為了把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大地坐標(biāo)系，需要使用全站儀同時測量。應(yīng)通過全站儀獲取在大地坐標(biāo)系下標(biāo)簽的坐標(biāo)，這樣在拼接后就可通過標(biāo)簽把所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大地坐標(biāo)系中。
2.2 實施掃描 在具體從某一方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行掃描時，應(yīng)從掃描儀視野范圍中圈選出被掃描物體，這樣做一是減少噪點，二是減少掃描時間，提高效率。因為掃描距離越遠(yuǎn)，掃描時間越長，像天空這樣的無限遠(yuǎn)距離會降低工作效率，不應(yīng)納入掃描范圍。點云的密度取決于激光點位間隔，對樓體細(xì)節(jié)較多的建筑應(yīng)采用1cm激光點位間隔掃描，墻體平滑的部分可采用2cm及以上間隔。另外，掃描區(qū)域周圍的人流也會產(chǎn)生噪點，掃描后應(yīng)及時觀察點云以確定是否需要補掃或重復(fù)掃描。掃描完成后，還要對掃描區(qū)域進(jìn)行拍照，獲取色彩和紋理信息。當(dāng)掃描儀自帶攝像頭像素太低不能滿足貼圖要求時，要用高像素數(shù)碼相機(jī)手動補拍。照片可作為該區(qū)域建模后的貼圖使用，也可為多站拼接提供參考。
3 點云數(shù)據(jù)處理與建模
3.1 點云的預(yù)處理 由于掃描過程中外界環(huán)境因素對掃描目標(biāo)的阻擋和遮掩，如移動的車輛、行人樹木的遮擋，及實體本身的反射特性不均勻，需要對點云經(jīng)行過濾，剔除點云數(shù)據(jù)內(nèi)含有的不穩(wěn)定點和錯誤點。實際操作中，需要選擇合適的過濾算法來配合這一過程自動完成。
3.2 點云配準(zhǔn) 使用控制點配準(zhǔn)，將點云配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下;靶標(biāo)缺失的點云，利用公共區(qū)域?qū)ふ彝c對其進(jìn)行兩兩配準(zhǔn)，當(dāng)同名點對不能找到時，利用人工配準(zhǔn)法。后兩種方法均為兩兩配準(zhǔn)，為了將所有點云轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的控制網(wǎng)坐標(biāo)系下與控制點配準(zhǔn)法得到點云配在一起，兩兩配準(zhǔn)時要求其中一站必須為已經(jīng)配到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的點云。
3.3 點云拼接 外業(yè)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至軟件時會根據(jù)坐標(biāo)點自動拼接，但由于人為操作和角架的誤差，一些點云接合處不太理想，這時需要進(jìn)行手動拼接，對一些無坐標(biāo)補掃面的拼接也需手動處理。手動拼接時對點云應(yīng)適當(dāng)壓縮，選擇突出、尖角、不同平面的特征點，以降低操作誤差。如采用1cm激光間隔掃描時拼接后的誤差在3mm以下較為理想。
3.4 建立三維模型 當(dāng)建筑物數(shù)字化為大量離散的空間點云數(shù)據(jù)后，在此基礎(chǔ)上來構(gòu)造建筑物的三維模型。
3.5 點云的漏洞修復(fù) 由于點云本身的離散性，會導(dǎo)致模型存在一定缺陷，需要在多邊形階段對其進(jìn)行修補、調(diào)整等操作后，才能得到準(zhǔn)確的實物數(shù)字模型。由于建筑物形狀復(fù)雜多樣，所以目前網(wǎng)格的修補難以實現(xiàn)全自動化。點云數(shù)據(jù)的漏洞修復(fù)主要采用兩種方法:當(dāng)空洞出現(xiàn)在平面區(qū)域內(nèi)，比如窗戶或者墻面上的洞，可采用線性插值的方法填補空洞數(shù)據(jù);當(dāng)空洞出現(xiàn)在非平面區(qū)域，如圓柱上出現(xiàn)的漏洞，可采取二次曲面插值方法。
4 結(jié)論
通過對三維激光掃描儀的研究，分析利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維空間模型的技術(shù)方法和過程，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了場景的三維可視化仿真顯示。探索了基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物三維建模的方法，初步試驗表明該方法可以應(yīng)用于城市建筑物的三維建模，是“數(shù)字城市”建設(shè)*為現(xiàn)代的技術(shù)手段。另外，獲取的建筑物表面的三維點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量龐大，如何管理和處理海量數(shù)據(jù)，并且保證數(shù)據(jù)在處理過程中精度不受損失仍然亟待解決，是下一步研究的重點和難點問題。
公安機(jī)關(guān)備案號：
