姜永男+李樹(shù)坤

【摘 要】介紹利用三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)方法，闡述了Surfer、Geomagic和Cyclone軟件求算沙堆體積的技術(shù)方法，并對(duì)精度對(duì)比分析，利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量沙堆體積技術(shù)方法是可行的。

【Abstract】This paper introduces the method of acquiring point cloud data by using 3D laser scanner. It expounds the technical method of calculating sand volume by Surfer， Geomagic and Cyclone software， and makes a comparative analysis of accuracy. It is feasible to use the laser point cloud data to measure the volume of the sand pile.

【關(guān)鍵詞】激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；三維激光掃描儀；沙堆體積；精度

【Keywords】 laser point cloud data； 3D laser scanner； sand pile volume； precision

【中圖分類(lèi)號(hào)】P21 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）02-0161-02

1 引言

三維激光掃描技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，隨著工程測(cè)量土方量計(jì)算、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的需求越來(lái)越大，越來(lái)越多的人也開(kāi)始研究其在體積求算等方面的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)主要有：蘇春艷等[1]利用三維激光掃描儀對(duì)大面積的堆積體，精確計(jì)算出體積。利用三維激光掃描技術(shù)獲取的土方量精度高且效率快。李濱等得出將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在工程測(cè)量的土方計(jì)算中的方案是完全可行的。熊妮娜等以松油為例進(jìn)行了基于三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量樹(shù)冠體積方法的可行性研究。目前，國(guó)內(nèi)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用還不是很普及，三維激光掃描是獲取物體三維數(shù)據(jù)的一項(xiàng)重要技術(shù)，有著很廣泛的發(fā)展前景。

2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

選擇某建筑工地的施工場(chǎng)所旁的沙堆，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依據(jù)沙堆的形狀確定測(cè)站的位置，儀器至沙堆表面的距離大概10m左右，掃描分辨率設(shè)置為1cm，本次掃描決定共設(shè)立4站，由于各站掃描數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的，為滿(mǎn)足后續(xù)的點(diǎn)云拼接，本次掃描共設(shè)立4個(gè)標(biāo)靶。標(biāo)靶的放置在一個(gè)穩(wěn)定的位置，以防止標(biāo)靶晃動(dòng)，同時(shí)確保這4個(gè)標(biāo)靶每站可視。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用徠卡C10配套的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件完成拼接得到完整的沙堆點(diǎn)云。使用基于標(biāo)靶的拼接模式，經(jīng)去噪和點(diǎn)云均一化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

3 沙堆體積求算

3.1 用Geomagic軟件進(jìn)行求算

把Cyclone軟件處理后的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Geomagic軟件中，由于導(dǎo)入的數(shù)據(jù)呈黑色，無(wú)法辨別邊界，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理存在難度，需先給點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色。此外，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在一些明顯偏離的噪音點(diǎn) ，需去除體外孤點(diǎn)及非連接項(xiàng)，當(dāng)然也可以根據(jù)快捷鍵進(jìn)行手動(dòng)去除。

為了得到更加光滑的曲面，在Geomagic軟件中進(jìn)行去噪處理，參數(shù)選擇“自由曲面形狀”，偏差限制為0.005m，迭代為1。進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣及數(shù)據(jù)封裝，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝成三角形網(wǎng)格，創(chuàng)建流型刪除模型中的非流型三角形。

體積求算有兩種方法，第一：?jiǎn)螕簟胺治觥薄坝?jì)算” →“計(jì)算體積”項(xiàng)直接求取體積；第二：?jiǎn)螕簟胺治觥薄坝?jì)算” →“計(jì)算體積到平面”項(xiàng)并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。這里選擇系統(tǒng)平面，位置度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，然后單擊“確定”鍵，得到模型體積（圖2），本實(shí)驗(yàn)設(shè)置4個(gè)不同的Z值獲得4個(gè)不同的體積。

3.2 Surfer軟件求算體積

首先進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，由于Surfer8.0軟件處理的是grd類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件，所以需要先把Cyclone軟件輸出的xyz類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成grd類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件。打開(kāi)Surfer8.0軟件，選擇從Cyclone軟件中處理后的數(shù)據(jù)文件，文件類(lèi)型選擇“所有文件”。之后在彈出的對(duì)話(huà)框中根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置并查看數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)沒(méi)問(wèn)題，則完成數(shù)據(jù)文件的類(lèi)型轉(zhuǎn)換。

進(jìn)行體積求算單擊菜單欄中的“網(wǎng)格”→“體積”項(xiàng)，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇新生成的grd類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件，然后在彈出的“網(wǎng)格體積”對(duì)話(huà)框中設(shè)置上下表面的參數(shù)。這里的上表面選網(wǎng)格文件，下表面Z值根據(jù)采集數(shù)據(jù)Z值進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)后，生成模型的體積報(bào)告（圖3）。

3.3 Cyclone軟件求算體積

首先選擇點(diǎn)云建立TIN，TIN是指不規(guī)則的三角形三角化網(wǎng)絡(luò)。它是用一系列互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來(lái)表示地形表面，即可以對(duì)已采集的規(guī)則的或不規(guī)則分布的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行三角建網(wǎng)，當(dāng)整個(gè)區(qū)域TIN網(wǎng)絡(luò)建立之后，就可以進(jìn)行進(jìn)一步的TIN？數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等。接著定義參考面，定義參考面是指根據(jù)具體需要設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)面，然后求算點(diǎn)云數(shù)據(jù)到該參考面的體積、表面積等。

Cyclone軟件提供設(shè)置任意參考面的功能，這里設(shè)置XY面為一個(gè)參考平面，然后通過(guò)設(shè)置Z值來(lái)改變參考面的位置，進(jìn)而求取點(diǎn)云到該平面的體積。最后體積求算，求取點(diǎn)云到參考面的體積。先選擇點(diǎn)云，然后單擊“Tools”→“Measure” →“TIN Volume”項(xiàng)，求算出體積（圖4）。

4 數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

根據(jù)三種軟件的性能，設(shè)置不同的平面來(lái)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)到該平面的體積。平面的設(shè)置可以通過(guò)XYZ中的任兩個(gè)確定一個(gè)平面，然后通過(guò)改變另一個(gè)的值來(lái)實(shí)現(xiàn)該平面的調(diào)動(dòng)。這里設(shè)定XY面為一個(gè)平面，然后通過(guò)設(shè)定Z值來(lái)實(shí)現(xiàn)XY面的升降，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云到不同的XY面的體積求算工作。

通過(guò)改變Z值求取點(diǎn)云數(shù)據(jù)到四個(gè)不同的XY面的體積。為了去除地面起伏對(duì)結(jié)果的影響，設(shè)置的Z值要比地面上點(diǎn)云最大的Z值大一點(diǎn)，使堆體的底面呈一個(gè)平行于XY面的平面，這里再取三個(gè)Z值-1.600m、-1.550m和-1.500m以便對(duì)比分析，去除特例情況。三種軟件在不同Z值時(shí)求算的體積及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理見(jiàn)表1。

4.2 比較與分析

為滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要，從求算體積的可行性、操作的難易程度和體積求算的精度等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。三種軟件在求算相同大小獨(dú)立體體積時(shí)的性能見(jiàn)表2。應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇不同的軟件進(jìn)行沙堆的體積求算，進(jìn)而提高效率及效益。

5 結(jié)語(yǔ)

本論文是關(guān)于利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取不規(guī)則堆體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)Cyclone軟件先期處理，然后運(yùn)用Surfer8.0、Geomagic和Cyclone三種軟件分別求取的沙堆體積。經(jīng)過(guò)分析研究，基于徠卡C10的沙堆體積快速測(cè)量的方案是完全可行的，其可以應(yīng)用于工程領(lǐng)域的土方量和體積等方面，不僅可以保證精度，而且可以提高效率，解放勞動(dòng)力。

【參考文獻(xiàn)】

【1】蘇春艷，隋立春.基于三維激光掃描技術(shù)的土方量快速測(cè)量[J].測(cè)繪技術(shù)裝備，2014，16（2）：49-52.endprint