1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)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(shí)間計(jì)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(dòng)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(hào)，產(chǎn)生接收信號(hào)，利用穩(wěn)定的石英時(shí)鐘對(duì)發(fā)射與接收時(shí)間差作計(jì)數(shù)，最后由微電腦通過軟件，按照算法處理原始數(shù)據(jù)，從中計(jì)算出采樣點(diǎn)的空間距離;通過傳動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)，彩色CCD相機(jī)拍攝被測(cè)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(gè)被測(cè)點(diǎn)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(cè)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(jì)仿真、交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、森林計(jì)測(cè)、虛擬設(shè)計(jì)制造、電腦模擬實(shí)戰(zhàn)、學(xué)術(shù)科研、汽車制造醫(yī)學(xué)研究與臨床診斷治療等領(lǐng)域。

　　2 三維激光掃描采集方案

　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘與定點(diǎn) 為了獲得地理場(chǎng)景的三維完整信息，需要多測(cè)站多角度對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行掃描。一般可根據(jù)實(shí)地情況布置4-10個(gè)站點(diǎn)，并且為了以后的點(diǎn)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(cè)量的具體條件來計(jì)劃掃描的路線和測(cè)站點(diǎn)的位置;然后到實(shí)地勘測(cè)，查看所計(jì)劃的路線和導(dǎo)線點(diǎn)位置是否合適;并把改動(dòng)計(jì)劃在圖上標(biāo)明。若測(cè)區(qū)沒有現(xiàn)成的地形圖或者測(cè)區(qū)范圍不大，可以實(shí)地勘察、選擇路線的同時(shí)確定測(cè)站點(diǎn)。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(shí)測(cè)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(shí)施掃描 在具體從某一方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行掃描時(shí)，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(diǎn)，二是減少掃描時(shí)間，提高效率。因?yàn)閽呙杈嚯x越遠(yuǎn)，掃描時(shí)間越長(zhǎng)，像天空這樣的無限遠(yuǎn)距離會(huì)降低工作效率，不應(yīng)納入掃描范圍。點(diǎn)云的密度取決于激光點(diǎn)位間隔，對(duì)樓體細(xì)節(jié)較多的建筑應(yīng)采用1cm激光點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)，掃描后應(yīng)及時(shí)觀察點(diǎn)云以確定是否需要補(bǔ)掃或重復(fù)掃描。掃描完成后，還要對(duì)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(shí)，要用高像素?cái)?shù)碼相機(jī)手動(dòng)補(bǔ)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與建模

　　3.1 點(diǎn)云的預(yù)處理 由于掃描過程中外界環(huán)境因素對(duì)掃描目標(biāo)的阻擋和遮掩，如移動(dòng)的車輛、行人樹木的遮擋，及實(shí)體本身的反射特性不均勻，需要對(duì)點(diǎn)云經(jīng)行過濾，剔除點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)含有的不穩(wěn)定點(diǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)。實(shí)際操作中，需要選擇合適的過濾算法來配合這一過程自動(dòng)完成。

　　3.2 點(diǎn)云配準(zhǔn) 使用控制點(diǎn)配準(zhǔn)，將點(diǎn)云配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下;靶標(biāo)缺失的點(diǎn)云，利用公共區(qū)域?qū)ふ彝c(diǎn)對(duì)其進(jìn)行兩兩配準(zhǔn)，當(dāng)同名點(diǎn)對(duì)不能找到時(shí)，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(diǎn)云轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的控制網(wǎng)坐標(biāo)系下與控制點(diǎn)配準(zhǔn)法得到點(diǎn)云配在一起，兩兩配準(zhǔn)時(shí)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(diǎn)云。

　　3.3 點(diǎn)云拼接 外業(yè)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至軟件時(shí)會(huì)根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)拼接，但由于人為操作和角架的誤差，一些點(diǎn)云接合處不太理想，這時(shí)需要進(jìn)行手動(dòng)拼接，對(duì)一些無坐標(biāo)補(bǔ)掃面的拼接也需手動(dòng)處理。手動(dòng)拼接時(shí)對(duì)點(diǎn)云應(yīng)適當(dāng)壓縮，選擇突出、尖角、不同平面的特征點(diǎn)，以降低操作誤差。如采用1cm激光間隔掃描時(shí)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(diǎn)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(diǎn)云的漏洞修復(fù) 由于點(diǎn)云本身的離散性，會(huì)導(dǎo)致模型存在一定缺陷，需要在多邊形階段對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)、調(diào)整等操作后，才能得到準(zhǔn)確的實(shí)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(bǔ)難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。點(diǎn)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(bǔ)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(duì)三維激光掃描儀的研究，分析利用點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景的三維可視化仿真顯示。探索了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物三維建模的方法，初步試驗(yàn)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)最為現(xiàn)代的技術(shù)手段。另外，獲取的建筑物表面的三維點(diǎn)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(diǎn)和難點(diǎn)問題。