牛作鵬（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

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地面三維激光掃描技術(shù)在港口可視化的應(yīng)用研究

牛作鵬
（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

本文介紹了三維激光掃描技術(shù)的基本原理，以某港口工程為例，詳細(xì)說明應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)獲取、點云數(shù)據(jù)處理、三維模型構(gòu)建的方法，驗證利用該技術(shù)進行港口可視化的可行性，解決常規(guī)測量技術(shù)在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用不足，為“數(shù)字港口”建設(shè)提供有力的技術(shù)支持。

地面三維激光掃描；點云；三維建模；可視化

引　言

“數(shù)字港口”是港口信息化建設(shè)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，是以“數(shù)字地球”為引向、以港口應(yīng)用為對象、以空間信息為依據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。測繪科學(xué)技術(shù)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持方面發(fā)揮著重要的作用，考慮到常規(guī)測量技術(shù)在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用不足，提出采用地面三維激光掃描技術(shù)進行空間信息的獲取。

三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展為人們在空間信息獲取方面提供了全新的技術(shù)手段，它被譽為繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命［1］。三維激光掃描系統(tǒng)可分為地面激光掃描系統(tǒng)和機載激光掃描系統(tǒng)兩大類，該系統(tǒng)能夠非接觸地快速獲取復(fù)雜局部地區(qū)的空間信息，并迅速轉(zhuǎn)換成可以被計算機處理的信息數(shù)據(jù)。目前，三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用于三維模型構(gòu)建、變形觀測、常規(guī)地形測繪、虛擬現(xiàn)實［2］等眾多領(lǐng)域，并積累了大量的成功案例，解決了傳統(tǒng)測繪方法在港口工程等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用不足。

本文基于三維激光掃描技術(shù)的工作原理，詳細(xì)論述該技術(shù)的作業(yè)流程，并以江蘇省句容市境內(nèi)某港口工程為例，探索其空間信息獲取，進行港口地物三維建模及可視化應(yīng)用研究。

1　地面三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)由集成了后處理軟件、內(nèi)置數(shù)碼相機以及附屬設(shè)備的三維激光掃描測量儀組成，該系統(tǒng)可以快速獲取物體表面每個點的空間坐標(biāo)及顏色信息。但要完成此項工作，必須研究計算模型、誤差模型、誤差的傳遞和影響、誤差的消除和矯正，再確定有關(guān)的計算公式及相應(yīng)的算法。它還包括數(shù)據(jù)預(yù)處理及后處理技術(shù)，如粗差探測、數(shù)據(jù)重采樣、數(shù)據(jù)鑲接等［3］。

三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理基本分為3種：基于相位差測距、基于脈沖飛行時間測距和基于激光三角形。本文重點闡述基于相位差測距的工作原理，三維激光掃描儀通過對調(diào)制光波產(chǎn)生的相位延遲進行測量，計算光波往返于目標(biāo)點之間的時間，進而獲取三維激光掃描儀與目標(biāo)點之間的距離，再根據(jù)空間點位幾何關(guān)系解求點位空間地理坐標(biāo)。該系統(tǒng)一般采用以其自身特定的坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)的獨立坐標(biāo)系，詳細(xì)定義如下：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)垂直于X軸，Z軸在豎向掃描面內(nèi)垂直于X軸和Y軸。如圖1所示。

圖1　地面三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

2　作業(yè)流程

地面三維激光掃描系統(tǒng)的作業(yè)流程大致可以分為空間信息數(shù)據(jù)獲取和信息數(shù)據(jù)后處理兩部分?？臻g信息數(shù)據(jù)獲取主要包括點云數(shù)據(jù)獲取、點云數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和點云數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等內(nèi)容；信息數(shù)據(jù)后處理主要包括點云濾波、不同站點數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點云數(shù)據(jù)去冗、地物地貌數(shù)據(jù)獲取、三維建模和紋理貼圖等工作。

2.1空間信息數(shù)據(jù)獲取

首先對工作區(qū)周圍環(huán)境進行踏勘，確定三維激光掃描儀距離物體的大致距離及采樣密度，空間信息數(shù)據(jù)獲取不可盲目追求高密度，此舉將會增加現(xiàn)場掃測時間及難度，降低后期數(shù)據(jù)處理效率，展現(xiàn)不出三維激光掃描技術(shù)在快速信息數(shù)據(jù)獲取方面的優(yōu)勢。因此，現(xiàn)場掃描盡可能參考如下作業(yè)準(zhǔn)則：在保證所掃描的空間信息數(shù)據(jù)能夠覆蓋本工作區(qū)域的前提下，選擇盡量少布設(shè)掃描站，以減少數(shù)據(jù)冗余。對于地形復(fù)雜區(qū)域，還需對測區(qū)的地物及特殊地形進行拍攝照片，便于后期的內(nèi)業(yè)處理，掃描站之間標(biāo)靶的分布應(yīng)以能獲得較好的坐標(biāo)配準(zhǔn)精度為原則，同時還需獲取標(biāo)靶中心的施工坐標(biāo)，用于后續(xù)多站數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。

2.2點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及縮減

點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是將不同角度所掃描的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系統(tǒng)下。點云配準(zhǔn)以后存在一定程度上的數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)冗余占用大量的存儲空間，同時也降低數(shù)據(jù)后處理的質(zhì)量和速度，因此要在不損失精度的前提下對數(shù)據(jù)進行去冗處理。

2.3地物地貌數(shù)據(jù)獲取

點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)以后可以手工提取地物特征線（點），如道路邊界線、電線桿中心點、房屋輪廓線及房角點等。市場上多種品牌的地面三維激光掃描后處理軟件均可完成此項工作，并輔以專業(yè)繪圖軟件（如南方CASS、清華山維）完成地物繪制。目前還沒有相應(yīng)的軟件能夠?qū)崿F(xiàn)非地貌數(shù)據(jù)（例如樹木、植被及地物等）的自動剔除，均需要人工操作完成此項工作，本文擬采用美國Trimble的ReaLWorks Survey軟件完成人工剔除非地貌點云數(shù)據(jù)。

2.4三維建模

Application of appropriate ecological energy-saving technology in reconstruction design of existing buildings

三維建模是構(gòu)建一定的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)幾何空間抽象描述、對象簡化和管理，可分為以下3種建模方式：通過三維軟件完成建模工作、通過儀器設(shè)備測量完成建模工作和通過圖像視頻完成建模工作［4～5］。相對于前兩種建模方式，通過圖像視頻完成建模具有自動化程度高、真實感強及成本低廉等優(yōu)勢，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。本文采用美國Trimble公司旗下的SketchUp軟件完成港口三維建模工作。

2.5紋理貼圖

紋理貼圖又稱紋理映射，是用函數(shù)、圖像和其它數(shù)據(jù)源通過一定算法將一幅圖像貼到三維物體的表面上，并輔以燈光、陰影和圖像混合等渲染技術(shù)，生成許多非常漂亮的場景效果，以此增強真實感。

3　案例分析

基于上述原理和工作流程，選擇江蘇省句容市境內(nèi)的長江某港口工程為例，進行三維激光掃描數(shù)據(jù)采集和處理。本文所做的三維數(shù)據(jù)采集利用的是美國Trimble公司的TX5地面三維激光掃描系統(tǒng)，后處理軟件用的是Real Works Survey軟件，三維建模采用美國Trimble公司旗下的Sketch Up軟件，現(xiàn)場大地坐標(biāo)標(biāo)記點由Trimble R8進行坐標(biāo)的量測，量測精度滿足規(guī)范要求。

3.1點云數(shù)據(jù)獲取

采用Trimble TX5地面三維激光掃描系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。TX5的主要技術(shù)指標(biāo)：采用相位式測距法；掃描速度976 000點/s；測程范圍0.6～120m；視場角水平360°，豎直300°；測距誤差±2 mm。

根據(jù)測區(qū)的特點和周圍環(huán)境確定測站數(shù)為7站，涵蓋了碼頭上大部分構(gòu)筑物，整體點云效果如圖2所示。由于分站掃描，所以在實地放置了配準(zhǔn)球，并由Trimble R8進行坐標(biāo)的量測，以做后期數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)使用。

圖2　局部點云效果

3.2點云數(shù)據(jù)處理

原始點云數(shù)據(jù)中存在大量非地貌數(shù)據(jù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)的存在導(dǎo)致正確信息無法提取，需進行點云濾波處理。本文采用Trimble Real Works Survey中的點云濾波工具完成去噪操作，濾波單元間隔設(shè)置為1m，將水平面作為參考濾波平面進行迭代線性最小二乘內(nèi)插模型殘差法濾波計算，而對于噪聲較大的數(shù)據(jù)需要進行手工剔除。

本文采取特征點配準(zhǔn)的方法，將點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到施工坐標(biāo)系下，采用Trimble R8進行現(xiàn)場標(biāo)記點坐標(biāo)的量測。特征點的選取應(yīng)優(yōu)先采用目標(biāo)反射物，或者較為明顯的構(gòu)筑物特征點。值得注意的是，因點云數(shù)據(jù)有少量缺失，則利用了同名點對進行配準(zhǔn)，同時輔以手工進行配準(zhǔn)。

3.3三維建模及可視化

點云數(shù)據(jù)中難以表達局部特征，需要手工對掃描體進行模型構(gòu)建［6］，筆者借助Auto CAD和Sketch Up軟件基于外業(yè)獲取的點云數(shù)據(jù)，完成掃測區(qū)域內(nèi)建（構(gòu)）筑物的三維建模及紋理貼圖工作，如圖3和圖4所示。此項工作的完成可滿足本公司設(shè)計人員與業(yè)主即時交流的需要，使得設(shè)計人員可以直接在電腦上進行十分直觀的構(gòu)思。

圖3　基于Sketch Up生成的三維模型（局部）

圖4　基于Sketch Up生成的三維模型

可視化是指在計算機屏幕上顯示并進行人機交互三維數(shù)據(jù)的過程，用戶通過人機交互操作可以選擇并處理計算機屏幕上的三維數(shù)據(jù)，以幫助用戶在多方位、多角度及不同距離的視圖下對其進行全方位的分析瀏覽。將Sketch Up軟件建立的模型導(dǎo)入Lumion可視化軟件中，可充分結(jié)合Lumion可視化的高效性和Sketch Up繪圖的高自由度，快速直接的創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實（圖5），增強用戶與數(shù)據(jù)、模型之間的交互操作性能。

圖5　碼頭不同角度三維可視化

Lumion是荷蘭ACT-3D公司發(fā)布的一個將高效和快速的工作流程集成在一起并可實時三維可視化的軟件，通過Lumion可視化軟件，用戶可以將Sketch Up以及其它格式的3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入Lumion可視化軟件中創(chuàng)建逼真的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，然后通過圖像處理器高速渲染的方式制作漫游動畫，Lumion可視化軟件大幅降低了漫游動畫制作成本，同時展現(xiàn)出高質(zhì)量的可視化效果。

4　結(jié)　語

本文以江蘇省句容市境內(nèi)的某碼頭工程為例，闡述了利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型的作業(yè)流程，研究發(fā)現(xiàn)基于高精度點云數(shù)據(jù)并輔以相應(yīng)的建模軟件，可以快速構(gòu)建三維仿真模型，實現(xiàn)三維可視化，直觀便捷的展現(xiàn)效果降低了現(xiàn)場各方人員之間的溝通成本和出錯概率，提升各專業(yè)人員的協(xié)同工作效率，為原始數(shù)據(jù)獲取提供了一種嶄新的技術(shù)手段，解決了常規(guī)測繪技術(shù)在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用不足，為三維激光掃描技術(shù)在“數(shù)字港口”中的建設(shè)應(yīng)用初步探索了一套全新方法。

基于點云數(shù)據(jù)的建筑物三維建模，一定程度上保證了建筑物三維模型的精度，增強建筑物三維模型空間地理信息的可靠性，并可高質(zhì)量的展現(xiàn)港口內(nèi)主要設(shè)備設(shè)施的可視化效果。同時，在建筑物三維建模方面，基于點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動提取不規(guī)則邊界信息還需要進一步研究和完善。

［1］董秀軍.三維激光掃描技術(shù)及其工程應(yīng)用研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2007.

［2］惠增宏.激光三維掃描重建技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002.

［3］李必軍，方志祥，任娟.從激光掃描數(shù)據(jù)中進行建筑物特征提取研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2003，28（1）：65-70.

［4］紀(jì)勇，李孝雁.三維激光掃描技術(shù)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，20（1）：23-25.

［5］劉春，楊偉.三維激光掃描對構(gòu)筑物的采集和空間建模［J］.工程勘察，2006，（4） ：49-53.

［6］趙小平，劉文龍，高紹偉.基于三維激光掃描技術(shù)的校園可視化［J］.測繪通報，2011，（8）：45-47.

［7］洪德法，楊國東，王志恒.基于 Arc Scene 和 Sketch Up的虛擬校園的建立［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2008，（12）：41-43.

［8］Sui Lichun.Processing of Laser Scanner Data and Extraction of Structure Lines Using Methods of the Image Processing［J］.測繪學(xué)報，2004，33（1）：63-70.

Research on Application of Ground 3D Laser Scanning in Harbor Visualization

Niu Zuopeng
（CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430071，China）

An introduction to basic principles of 3D laser scanning technique has been given to describe in detail the application of ground 3D laser scanning technique in the acquisition and processing of point clouds data，and 3d modeling on the basis of one harbor project.In addition，the feasibility of harbor visualization by using the technique has been verified.The above technique will solve the limitation of conventional surveying technique for some special fields，and support the construction of digitized harbor well.

ground three-dimensional laser scanning； point clouds； 3D modeling； visualization

P225.2

A

1004-9592（2016）04-0101-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160425

2015-11-26

牛作鵬（1985-），男，工程師，主要從事測繪新技術(shù)研究工作。