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【摘要】利用拓普康GLS-1000型激光掃描儀對長嶼硐天局部區(qū)域掃描得到點云數(shù)據(jù)。并對點云數(shù)據(jù)進行三維坐標校正、拼接、去噪處理，最終利用逆向工程技術(shù)軟件（GeomagicStudio）進行三維建模。為地質(zhì)環(huán)境治理、危巖評估和處理、景觀設計提供三維模型及相關數(shù)據(jù)。

【關鍵詞】三維激光掃描技術(shù);點云;坐標;校正;三維建模

1.引言

三維激光掃描技術(shù)（3DLaserScanningTechnology）采用非接觸主動測量方式迅速地獲取物體表面大量采樣點高精度三維空間坐標，快速地將物體表面的信息轉(zhuǎn)換成可處理的三維數(shù)據(jù)。近幾年在古建筑保護、變形監(jiān)測、地質(zhì)環(huán)境治理、景觀和佛像三維建模等方面得到了廣泛的應用。本文以其在長嶼硐天地質(zhì)災害治理中的應用為例進行探討。長嶼硐天坐落舉世聞名的“石板之鄉(xiāng)”浙江省溫嶺市長嶼鎮(zhèn)境內(nèi)，為省級風景名勝區(qū)，是全國規(guī)模最大的人工開鑿石硐風景區(qū)，2004年4月被國家旅游局評為國家AAAA旅游區(qū)，2005年被評為世界地質(zhì)公園。為了擴大景區(qū)規(guī)模，打造國內(nèi)一流景點，需對長嶼硐天花居硐群、華玄硐群等區(qū)域進行開發(fā)利用。硐內(nèi)光線微弱，削壁成廊，天窗頂空，石架懸橋，層疊有致，變幻莫測，宛若迷宮，地質(zhì)環(huán)境極為復雜。常規(guī)的測量手段難以為地質(zhì)環(huán)境治理及景觀設計提供精準的數(shù)據(jù)。最終采用了三維激光掃描技術(shù)對硐群內(nèi)的部分區(qū)域行了三維掃描并建模，為地質(zhì)環(huán)境治理、危巖評估和處理、景觀設計提供三維模型及相關數(shù)據(jù)。

2.點云數(shù)據(jù)的獲取

2.1控制測量

硐群面積較大內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯綜復雜，對整個硐群進行三維建模不僅費時費力成本巨大而且將整個硐群數(shù)據(jù)拼到一起其數(shù)據(jù)量是海量處理起來極其困難。因此我們選取典型的硐室大廳及需要進行地質(zhì)災害處理的區(qū)域進行掃描。為了保證各掃描區(qū)域納入到統(tǒng)一的坐標系內(nèi)，我們對整個硐群進行了控制測量?？刂泣c使用1″級全站儀按導線測量方法施測，臨近控制點相對位置點位中誤差控制在±3cm以內(nèi)。

2.2三維激光掃描

(1)掃描儀型號及技術(shù)參數(shù)

三維激光掃描儀選用拓普康公司GLS-1000型激光掃描儀，此掃描儀掃描鏡為擺動掃描鏡。掃描儀技術(shù)參數(shù)如表1所示。由上表1可知，GLS-1000型激光掃描儀測量距離較長，視場范圍也比較廣，尤其是單點定位精度150米僅為±4mm，完全能滿足測繪精度，最高掃描速率能達到3000點每秒，這是普通測量方法遙不可及的一個數(shù)據(jù)量。

(2)點云數(shù)據(jù)采集

將掃描儀固定在三腳架上，掃描儀與計算機連接進入到計算機控制模式以實現(xiàn)全程可視化掃描，三維可視化掃描不僅給操作人員帶來了便利，也在很大程度上保證了工作質(zhì)量和效率，減少了返工率，并且海量數(shù)據(jù)可直接存儲至計算機。利用掃描儀傳到計算機的實時影像精準確定掃描范圍，再根據(jù)工程需要設定采樣間隔。硐群內(nèi)有些區(qū)域漆黑一片完全處于黑暗狀態(tài)，三維激光掃描儀不受光線條件影響的優(yōu)勢，在此工程得到了充分的發(fā)揮。在光線較好區(qū)域掃描時選擇拍照、掃描同步模式，這樣不僅采集了掃描對象的三維坐標同時也獲取了影像信息。把影像中顏色屬性附著到點云中使點云更具可視效果，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及建模提供了重要參考。具體效果如圖（1）所示。GLS-1000型三維激光掃描儀的視場范圍為360°×70°，當儀器水平架設是它的上下擺動角度為±35°。在+35°—+90°和-35°—-90°之間是視場盲區(qū)。硐群內(nèi)空間狹小，設站點到掃描目標間的水平距離不超過40米，因此高于儀器28米（tan（35°）*40）的目標物將無法掃描。此時就要用到傾斜支架，GLS-1000型三維激光掃描儀傾斜可以使儀器傾斜掃描（傾斜角度為15°—90°每15°為一檔）。通過傾斜掃描可將GLS-1000型三維激光掃描儀的視場范圍擴大到360°×360°基本無盲區(qū)。但使用傾斜支架會將支架誤差累積到掃描誤差中，為消除此項誤差，不同站點掃描時均應掃描3個以上靶標，作為內(nèi)定向標志物。

3.掃描數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理總體可分為四個步驟：點云坐標定向校正、點云數(shù)據(jù)優(yōu)化、點云數(shù)據(jù)拼接及三維建模。

3.1點云坐標定向校正

前文講到三維激光掃描儀所采集的三維坐標數(shù)據(jù)均是以其自身坐標系為依托進行采集和存儲的，要得到我們所需要的統(tǒng)一的國家或地方坐標系數(shù)據(jù)要進行坐標定向校正。點云坐標定向校正一般用拓撲康GLS-1000掃描儀自帶處理軟件（TopconScanMaster）來處理。把儀器測站坐標系中的數(shù)據(jù)歸算到我們所需要的統(tǒng)一的國家或地方坐標系數(shù)據(jù)稱為絕對定向。在TopconScanMaster軟件中絕對定向基本步驟如下：①把掃描的靶標生成聯(lián)結(jié)點；②輸入各靶標點的實際坐標；③建立各聯(lián)結(jié)點坐標與各靶標的實際坐標的一一對應鏈接（即找共同點）；④注冊點云數(shù)據(jù)。完成以上四個步驟后，點云坐標已被校正。絕對定向完成后應驗證其定向精度，在實際作業(yè)中一般通過掃描3個以上靶標來驗證其定向精度，或采用多個靶標進行平差定向來保證其精度和可靠性。

3.2點云數(shù)據(jù)優(yōu)化

點云數(shù)據(jù)優(yōu)化主要是刪除冗余數(shù)據(jù)及重采樣和去噪處理。這個過程同樣在TopconScanMaster軟件中進行。點云的冗余數(shù)據(jù)主要是指目標掃描對象以外的點云數(shù)據(jù)，例如遮擋掃描視線的植被或其他雜物的點云坐標信息就屬于冗余數(shù)據(jù)。冗余點云數(shù)據(jù)的刪除是一個復雜的過程，目前還沒有完全實現(xiàn)智能化刪除或提取點云，還需要人工干預的方法來解決。人工干預的方法有幾種，通常主要借助點云的顏色信息，根據(jù)顏色來判別點云是否屬于目標掃描對象，然后進行取舍；還有就是根據(jù)點云的位置信息判斷點云之間是否連續(xù)是否屬于同一個對象；另外就是根據(jù)工作記錄和現(xiàn)場獲取的照片信息進行綜合取舍。

3.3點云數(shù)據(jù)拼接

通過定向、優(yōu)化后的數(shù)據(jù)實際上已納入到同一個坐標系中，把同一掃描目標中不同測站數(shù)據(jù)拼到一起理論上重合掃描區(qū)域應該能完全融合。可實際上由于各種誤差存在如儀器掃描誤差、靶標坐標測量誤差、儀器系統(tǒng)差以及人為因素造成的誤差使得拼接后的數(shù)據(jù)可能存在偏差。在這類工程項目中，點云數(shù)據(jù)點之間的間距一般控制在5—10cm左右，如果測站間誤差超高2倍點間距，在三維建模時在測站重合掃描區(qū)域會出現(xiàn)雙層面現(xiàn)象。測站間數(shù)據(jù)拼接一般分以下幾種情況處理。(1)測站間誤差小于1倍點間距時，可適當放大重合數(shù)據(jù)的范圍，進行直接數(shù)據(jù)融合不做任何處理。(2)測站間誤差大于1倍點間距而小于2倍點間距時，可適當減小重合數(shù)據(jù)范圍。并對重合區(qū)域的數(shù)據(jù)進行重采樣和去噪處理，使其建模達到最佳效果。(3)測站間誤差大于2倍點間距時，就要對重合區(qū)域進行精細化重采樣和去噪處理。或者采取人工干預處理。人工干預方法主要有兩種：一是通過重合區(qū)域的特征點對其中一個測站的數(shù)據(jù)進行平移和旋轉(zhuǎn)，并對處理后的重合區(qū)域再進行重采樣和去噪處理。二是強行刪除效果較差測站的重合數(shù)據(jù)，使測站數(shù)據(jù)間留出一條縫隙，再建模時進行人工修補。如果測站間誤差超過2倍點間距時，就屬于誤差超限，應進行重新掃描。保證測站間數(shù)據(jù)的精度和可靠性是至關重要的，在作業(yè)前一定要有相關措施。①確?？刂泣c的成果精度可靠性。②儀器掃描靶標后需對掃描精度進行評估，最好通過掃描多個靶標進行平差定向。③在重合區(qū)域的掃描面上設置一次性靶標，數(shù)據(jù)拼接時根據(jù)重合靶標進行拼接。

3.4三維建模

三維建模是掃描數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)。GTS-1000型激光掃描儀自帶處理軟件TopconScanMaster并非專業(yè)工程軟件，無論是處理速度還是建模效果上都不太理想。特別是對于復雜的硐群崖面根本無法處理。最終選用了GeomagicStudio逆向工程應用軟件作為建模軟件。GeomagicStudio具有強大的建模功能，在逆向建模工程領域已得到廣泛應用。該軟件遵循點階段—多邊形階段—曲面段的三階段作業(yè)流程，可以輕而易舉地從點云創(chuàng)建完美的多邊形模型和樣條四邊形網(wǎng)格，并轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，建模效率高；同時還提供多重三維輸出格式，方便與多種實體造型軟件接口。本工程主要采用三角網(wǎng)法進行建模（GeomagicStudio軟件中稱為“封裝”）。軟件導入點云數(shù)據(jù)后先對點云數(shù)據(jù)進行減少噪音、重新采樣處理。減少噪音處理主要是消除掃描目標表面明顯的噪聲點，使其表面變得更加平滑。重新采樣則是根據(jù)工程需要重新設置點云數(shù)據(jù)的間隔，在保證掃描目標真實性的前提下減少數(shù)據(jù)量。減少噪音、重新采樣處理完成后設置合理的參數(shù)進行封裝處理。封裝的速度視其點云數(shù)據(jù)大小和封裝對象復雜程度而定，幾十萬個點能在10—20分鐘內(nèi)完成。封裝后能得到基本三維模型。得到基本三維模型后，使用GeomagicStudio軟件相關功能對模型進行進一步處理，模型中間的空隙還要按曲率進行填充修補，最終獲得與實際最接近的完整的模型。圖3為軟件處理后的最終效果圖。

4.結(jié)論與體會

三維激光掃描技術(shù)來開展人工開采礦山的測量工作，為我們提供了可靠、快速、精準、安全的技術(shù)解決方案。通過對長嶼硐天部分區(qū)域的三維激光掃描及建模為地質(zhì)環(huán)境治理、危巖評估和處理、景觀設計提供三維模型及相關數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)在很多領域都得到了應用，但真正要應用到生產(chǎn)實踐中像儀器掃描速度、數(shù)據(jù)的融合拼接、專業(yè)軟件的開發(fā)利用等方面有待于更深入的研究。

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作者:趙輝 黃娜