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摘 ?要： 本論文以昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)“昆明理工大學(xué)”石碑作為目標(biāo)場景，利用地面三維激光掃描儀Maptek I-Site 8200SR獲取目標(biāo)場景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用Maptek I-Site Studio 6.0對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪及精簡;通過提取特征點(diǎn)云同時(shí)結(jié)合AutoCAD2014、3ds Max實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)場景的建模。研究三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法步驟及模型構(gòu)建過程，通過分析數(shù)據(jù)處理及建模結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前的研究狀況探討了模型的相關(guān)應(yīng)用，并展望進(jìn)一步的研究方向以及工作內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：?三維激光掃描技術(shù);點(diǎn)云;三維建模;數(shù)據(jù)預(yù)處理

中圖分類號(hào)： TP391. 41????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.050

【Abstract】： This paper uses the sign of "Kunming University of Science and Technology" of the Cheng-gong Campus of Kunming University of Science and Technology as the target scene，Using the ground 3D laser scanner Maptek I-Site 8200SR to obtain the cloud data of the target scene.and uses Maptek I-Site Studio 6.0 to pre-process the point cloud data. Including registration， de-noising and streamlining of point cloud data; The target scene is modeled by extracting feature point clouds combined with AutoCAD2014 and 3DS Max. This paper studies the method steps and model construction process of 3D laser scanning point cloud data preprocessing， analyzes the data processing and modeling results， discusses the relevant application of the model based on the current research situation， and looks forward to the further research direction and work content.

【Key words】： 3D laser scanning technology; Point cloud; Data preprocessing ;3D modeling

0??引言

三維激光掃描技術(shù)的誕生是為了解決工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和制造的需求，已經(jīng)成功且廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測、工廠、大型結(jié)構(gòu)、管道設(shè)計(jì)、飛機(jī)船舶制造、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建等各個(gè)行業(yè)[1-5]。利用三維激光掃描技術(shù)所獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型。隨著人們對(duì)生產(chǎn)效率要求的提高，三維掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)在很大程度縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了生產(chǎn)成本[6-8]?；跍y繪外業(yè)作業(yè)地勢(shì)險(xiǎn)峻數(shù)據(jù)獲取困難、外業(yè)人員人生安全缺乏保障、測量數(shù)據(jù)不全面等的特點(diǎn)，本研究側(cè)重于對(duì)地面目標(biāo)實(shí)體坐標(biāo)位置及特征結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及處理，本研究旨在從三維激光掃描儀的原理入手，快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的目標(biāo)場景的三維可視化模型，通過獲取真實(shí)場景的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)，探索學(xué)習(xí)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用、地面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程和方法，同時(shí)積累經(jīng)驗(yàn)，建立規(guī)范，以便達(dá)到學(xué)習(xí)、掌握三維激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)縮短生產(chǎn)企業(yè)的開發(fā)設(shè)計(jì)周期、提高生產(chǎn)效率，以實(shí)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)能夠更加有效的服務(wù)于測繪工程建設(shè)。

1??實(shí)證研究

本研究以昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)“昆明理工大學(xué)”石碑作為目標(biāo)場景。首先，該石碑整體呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，可以通過三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)不規(guī)則紋理數(shù)據(jù)的提取;其次，石碑上“昆明理工大學(xué)”字體為草檀齋毛澤東字體，石碑上的字體與現(xiàn)在電腦上的毛澤東字體存在一定差別;基于數(shù)據(jù)獲取設(shè)備的局限性，地面三維激光掃描儀無法實(shí)現(xiàn)掃描到較高景物頂部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此，以昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)高度較低的石碑作為研究對(duì)象，來實(shí)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)的“實(shí)景復(fù)制”。

為了使研究的結(jié)果更貼近現(xiàn)實(shí)，研究數(shù)據(jù)除了三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以外，再借助單反相機(jī)獲取更為清晰的實(shí)景照片作為建模紋理數(shù)據(jù)的參照。

三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集使用儀器為：Maptek I-Site 8200SR地面三維激光掃描儀;點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理使用軟件Maptek I-Site Studio 6.0，紋理數(shù)據(jù)則使用佳能700D單反相機(jī)獲取，其分辨率為1800萬像素，精度為18-55mm。為了保障點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性，在目標(biāo)實(shí)體四周設(shè)置5個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行全方位掃描。

2??模型及數(shù)據(jù)處理

2.1 ?原理

三維激光掃描儀采用的是內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，在三維激光掃描儀內(nèi)部，一般都有兩個(gè)相互垂直的軸，而激光測距光束就是以這兩個(gè)軸系為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)測量的，所以一般以這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)為內(nèi)部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以地面三維激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)軸為內(nèi)部坐標(biāo)系的Y軸，X軸在水平面內(nèi)與Y軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，對(duì)于空間任意點(diǎn)P（Xp，Yp，Zp），可以根據(jù)地面三維激光掃描儀空間點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理圖1和計(jì)算公式1進(jìn)行坐標(biāo)的計(jì)算[5-7，9-12]。

2.2 ?數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包含點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡，具體原理方法如下[6，9-15]：

（1）點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)包括基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)、基于控制點(diǎn)的配準(zhǔn)及基于同名點(diǎn)云的配準(zhǔn)三種[6-8、13-17]。本研究則利用三維激光掃描儀配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Maptek I-Site Studio 6.0進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理中點(diǎn)云配準(zhǔn)步驟。利用軟件中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)功能（自動(dòng)化初始定位），將掃描數(shù)據(jù)中第二個(gè)掃描站的數(shù)據(jù)作為“固定基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)操作完成后，對(duì)其精度進(jìn)行驗(yàn)證，點(diǎn)云配準(zhǔn)及其配準(zhǔn)精度檢驗(yàn)如圖所示。

（2）點(diǎn)云去噪

由于儀器系統(tǒng)誤差和目標(biāo)場景點(diǎn)云基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取時(shí)存在不可控的場景環(huán)境因素的影響，地面三維激光掃描儀在進(jìn)行外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的過程中會(huì)產(chǎn)生一定誤差點(diǎn)云和錯(cuò)誤點(diǎn)云，即噪聲點(diǎn)云[7，8，12]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)云按照其產(chǎn)生的原因分為三類[3，7-12，14-15]：第一類噪聲點(diǎn)云是來自三維激光掃描儀本身和掃描方法導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的過程中產(chǎn)生了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差;第二類噪聲點(diǎn)云是來自目標(biāo)實(shí)體，由于目標(biāo)實(shí)體的材料、顏色、角度、光滑度、曲率、紋理以及空間結(jié)構(gòu)等因素的差別對(duì)激光的反射率和反射強(qiáng)度都存在不同影響而產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。第三類噪聲是因?yàn)榕既换虿豢杀苊獾脑蚨鴴呙璧椒悄繕?biāo)物，如在目標(biāo)場景周圍出現(xiàn)的行人、車輛，甚至是地面揚(yáng)起的灰塵等此類噪聲點(diǎn)云，該類噪聲點(diǎn)云的產(chǎn)生沒有意義，為粗差點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

除通過掃描時(shí)準(zhǔn)確謹(jǐn)慎的操作以減少噪聲的產(chǎn)生之外，對(duì)不同類型的噪聲處理時(shí)有對(duì)應(yīng)的方式：可以通過設(shè)置合適的掃描參數(shù)，架設(shè)恰當(dāng)?shù)膾呙韪叨?，可以通過點(diǎn)云平滑濾波來減少第一類噪聲點(diǎn)云;通過保證測站與測站之間的距離以及測站到掃描目標(biāo)實(shí)體的距離大致相等的措施，以確保選擇最佳掃描距離來減少第二類噪聲點(diǎn)云的產(chǎn)生;第三類噪聲可以通過在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)地面三維激光掃描儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過設(shè)置相應(yīng)的閾值以減少噪聲點(diǎn)云的獲取，同時(shí)能減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的冗余，在后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程中可通過操作者肉眼直觀判斷手動(dòng)刪除。

（3）點(diǎn)云精簡

點(diǎn)云精簡算法分為基于曲率和基于法向量的精簡算法[5-8，14-17]：

3??建模

利用Maptek I-Site Studio 6.0軟件對(duì)目標(biāo)場景掃描的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪以及點(diǎn)云精簡工作，基于Maptek I-Site Studio 6.0軟件的建模功能不成熟，其建模結(jié)果不理想，因此，為保證建模結(jié)果的精度準(zhǔn)確度與可靠性，通過提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的特征點(diǎn)云，并結(jié)合照片紋理數(shù)據(jù)，利用建模軟件Autodesk 3ds Max實(shí)現(xiàn)目標(biāo)場景實(shí)物的重構(gòu)。

3.1 ?文件格式轉(zhuǎn)換

結(jié)合Maptek I-Site Studio 6.0軟件可以導(dǎo)出的文件類型以及建模軟件Autodesk 3ds Max可識(shí)別的文件類型，確定可轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)格式為“.dxf”，最終輸出的模型文件格式為“.dwg”，數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換如下圖。

3.2??建模結(jié)果

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD 2014軟件中以獲取目標(biāo)實(shí)景的三維特征點(diǎn)云信息，結(jié)合實(shí)地所獲取的紋理數(shù)據(jù)，在3D Max軟件中完成建模工作，依次為：貼圖-剪裁-石碑模型建立-字體模型-石碑底座模型建立-水池模型建立-模型紋理映射。

紋理映射技術(shù)就是指將幾何模型所對(duì)應(yīng)的建筑實(shí)體的二維圖形或圖像覆蓋到三維模型表面上，精細(xì)逼真地模擬出物體表面的各個(gè)精細(xì)的細(xì)節(jié)、不規(guī)則結(jié)構(gòu)、圖案和紋理色彩，提高虛擬三維模型的真實(shí)性，使得模型表現(xiàn)的更加貼近實(shí)體目標(biāo)。對(duì)模型的紋理粘貼一般有兩種方法：一種是給實(shí)體模型貼紋理，另一種是給資料粘貼紋理[15-17]，紋理映射及建模結(jié)果如圖6所示。

4??結(jié)論與建議

4.1??結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)及其發(fā)展為空間信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，通過不同類型三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)對(duì)象特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)及紋理數(shù)據(jù)的獲取，很大程度改變了空間數(shù)據(jù)獲取的方式，極大地提高了傳統(tǒng)測繪效率，在一定程度實(shí)現(xiàn)了測繪外業(yè)人力物力的精簡，對(duì)測繪外業(yè)數(shù)據(jù)獲取具有重要意義。

本文利用地面三維激光掃描儀Maptek I-Site 8200SR通過對(duì)目標(biāo)場景昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)?！袄ッ骼砉ご髮W(xué)”石碑進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，使用Maptek I-Site Studio 6.0、AutoCAD2014、3ds Max對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并完成對(duì)目標(biāo)場景的建模，通過分析誤差來源和建模相關(guān)步驟，重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中的點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡等理論和算法，同時(shí)對(duì)三維激光掃描技術(shù)和模型構(gòu)建特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前的研究狀況探討了模型的相關(guān)應(yīng)用，并展望了進(jìn)一步的研究方向及內(nèi)容。

任何一項(xiàng)新興技術(shù)的發(fā)展都需要一個(gè)過程，同理，一款測量儀器也不可能實(shí)現(xiàn)解決測繪作業(yè)中遇到的所有問題，只有針對(duì)測量對(duì)象的特點(diǎn)，綜合各類儀器設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)及可取之處，充分發(fā)揮各類儀器設(shè)備在測繪外業(yè)數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用，使其相輔相成，全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)效率的提高。

4.2??建議

地面三維激光掃描技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景和研究熱點(diǎn)，由于是較新的研究領(lǐng)域、且該技術(shù)的復(fù)雜性以及個(gè)人水平有限，雖然本文對(duì)昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)石碑場景通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集以及完成三維模型重建做了一些研究工作，但仍存在許多不足，需要進(jìn)一步深入研究，主要在以下幾個(gè)方面：

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲?。簩?duì)于目標(biāo)場景點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取：由于自身的遮擋原因，無法獲取建筑物的完整點(diǎn)云，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣;人工手動(dòng)補(bǔ)充點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重采樣方存在式工作量大，且會(huì)造成數(shù)據(jù)量過大及數(shù)據(jù)冗余問題，在后期數(shù)據(jù)處理中，對(duì)數(shù)據(jù)處理設(shè)備的要求較高，且數(shù)據(jù)量大和數(shù)據(jù)冗余問題會(huì)直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的效率。因此，在數(shù)據(jù)獲取前期完善點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方案外，目標(biāo)場景部分?jǐn)?shù)據(jù)無法獲取的情況下如何更加有效的完成建模工作亟待解決。

（2）點(diǎn)云算法：點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理內(nèi)容的相關(guān)算法也需要進(jìn)一步研究：其一，對(duì)點(diǎn)云的自動(dòng)分割算法需要進(jìn)一步完善，如能自動(dòng)分割出許多數(shù)據(jù)量小、擁有相同特征的點(diǎn)云部分（如雕像的底座、建筑物的門窗、墻壁柱子等局部自動(dòng)分割出來），即可先對(duì)目標(biāo)建筑物的局部進(jìn)行建模，然后在將部分模型拼接成完整模型，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)及工作量分散之后，可以大大降低建模對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求，同時(shí)能在極大程度提高工作效率，避免數(shù)據(jù)處理過程中軟件或系統(tǒng)由于無法承載數(shù)據(jù)處理量而出現(xiàn)崩盤狀況;其二，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡算法也需要進(jìn)行深入研究及完善，探究如何在保留目標(biāo)實(shí)體特征點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其余點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡;基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)而不適用于在數(shù)字城市等的應(yīng)用中，3Dmax模型數(shù)據(jù)量小，在數(shù)據(jù)量上占有優(yōu)勢(shì)，但3Dmax手動(dòng)提取特征點(diǎn)云、手動(dòng)實(shí)現(xiàn)建模，因而工作量大，在實(shí)際的生產(chǎn)工作中需要花費(fèi)大量的人力物力財(cái)力;綜上所述，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡，在很大程度提高工作效率，減少成本投入。

（3）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：在點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換方面，具有廣闊的研究前景，點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式與建模軟件格式的統(tǒng)一，減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的步驟，精簡建模步驟從而能提高建模工作的效率。

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如建筑、城市規(guī)劃、數(shù)字城市、文物保護(hù)等領(lǐng)域，同時(shí)與傳統(tǒng)的測量方法進(jìn)行取長補(bǔ)短，縮短產(chǎn)品周期，提高各領(lǐng)域工作效率，使三維激光掃描技術(shù)更加有效的服務(wù)于測繪行業(yè)。

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