摘要：目前，数字城市、文化遗产数字化保护、大型复杂钢结构建筑物建造、工业厂区精细化管理等方面，都需要分辨率和精度都达到毫米甚至亚毫米级。地面激光雷达（LiDAR）的精度和分辨率可以满足精细重建的要求，它主要应用三维激光扫描仪获取高分辨率高精度点云数据进行几何重建，应用非量测相机获取的影像数据进行纹理重建。本文就三维激光扫描的几项关键技术进行阐述。
关键词：激光雷达；数字化；可视化；几何重建；纹理重建
1 前言
三维激光扫描技术作为一种先进的全自动高精度立体扫描技术，可以连续、自动、快速采集大量目标物表面三维点云，为快速获取空间数据提供了有效手段。三维激光扫描对三维建模的发展提供了革命性的技术突破，克服了传统方法通过少量角点坐标建模，信息缺失严重的缺点。本文将从地面三维激光扫描仪器认识及实操、点云配准、模型重建、纹理重建四个关键技术问题进行研究，本文所有的研究都建立在实验数据的基础上。
2地面激光扫描仪认识及实操
三维激光扫描仪按照搭载平台可以分为机载、车载、站载、手持四个方面。三维激光扫描仪按照测距方式可以按照时间差和相位差的方式来进行划分。时间差要求时间分辨率很高，而相位差的仪器则载波短，精度高，尺长小。
通过三维激光的方式来测量具有速度快，不需要直接接触目标，数据量大，精度高等优点。缺点是多个站扫描的数据不连续，是独利的，而且需要处理的数据量太大，有时候能达到计算机无法处理的程度。测得的点云数据没有实体特征参数，无长、宽、高等，只是离散点的坐标。多个站扫描的时候需要布设标靶点，标靶点是精密配准的依据。有球形标靶，圆形标靶，以及交叉线标靶等。通常情况下使用球形标靶，优点是各个方向扫描形状相同，缺点是不易携带。本文以站载式地面三维激光扫描仪为例，仪器实操主要包含以下关键技术。
①安置扫描仪，无需对中，只需整平即可。
②软件与扫描仪连接。
③相机与扫描仪连接。
④获得照片。
⑤设置扫描密度和范围。
⑥扫描目标（本次主要将扫描目标定为北方工程设计院主楼）如图1所示。
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图1 北方工程设计院主楼
3点云配准技术
由于地面三维激光扫描仪每一次摆站获取的数据都具有独立的坐标系，点云配准的目的就是要把多个不同的坐标系内的激光点云数据统一到同一个坐标系中，这样点云才能够应用。点云数据配准包括点云数据逐站配准和整体配准两方面。激光雷达点云逐站自动配准是提高点云数据处理效率的主要手段，也是解决精细三维重建的首要内容。逐站配准方面，包括有标靶配准和无标靶配准两种方式。
这里主要阐述无标靶、以同名点形式的点云配准方法。点云配准最常用最稳定的是ICP算法，该算法需要选定初值，最后迭代直到收敛为止。
本文以点云处理软件Cyclone以及试验数据“niu.imp”为例，阐述点云配准的关键技术。
①在Cyclone软件中加载实验数据，这里加载的数据为牛niu.imp（包括S1.ptx，S2.ptx，S3.ptx四站独立坐标系的数据）。
②在模型空间中分别打开S1和S3两站扫描数据。
③对S1标记四个同名点，并且分别对这四个点命名为P1，P2，P3，P4。对S3中的牛在同样的位置标记四个同名点，同样一一对应的起名为P1，P2，P3，P4。
注：这里采用的点云配准方式为无标靶式配准。此种方法的优点是可以大大节省外业激光扫描的工作量，使得外业工作方式更加灵活，不受摆设标靶球的限制。
④开始进行配准，分别将S1和S3加载进软件。
⑤打开配准之后的点云，点云配准完成。可以在软件中查看点云配准的精度，通常将配准精度控制在毫米级，即可满足一般的精度需求。
点云配准过程如图3所示。
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图3 点云配准
4模型重建技术
模型重建技术的主要研究内容是如何将真实的空间地物数字化为计算机能够处理与存储的几何模型，通过获取三维空间坐标及其他属性进行数字化建模。这一技术被广泛应用于社会生活的方方面面，如精密工业测量、逆向工程、大型建筑物形变监测、仿生训练系统、医学检查与矫形、文化遗产保护、服装制鞋设计、动画游戏开发等等，它的发展直接或间接地推动了各学科的技术进步，产生了巨大的经济社会效益。
模型重建技术包含点云去噪、点云抽稀、模型简化、补洞、平滑等一系列后处理过程，该技术建里在点云配准的基础上，利用点云模型重构空间实体对象，以Geomagic软件以及试验数据“lajitong.ptx”为例，对重构模型进行补洞、数据简化等相关的处理，构建完整对象三维几何模型。模型重建主要包含以下关键技术。
①打开垃圾桶 “lajitong.ptx” 点云数据，并对点云数据进行着色。
②对点云数据进行去噪处理。去噪的主要作用是去除和模型重建无关的有误差的离散点云。
③对点云进行抽稀处理。抽稀的主要作用是将点云配准以后的整体点云进行精简。
④对去噪、抽稀后的点云进行封装处理。
⑤网格医生和简化操作。主要作用是去除重建之后的三角网模型的三角面片的个数。
⑥填充孔操作。对简化后的重建的三维模型的漏洞进行补洞。
⑦填充孔之后用橡皮擦进行平滑处理。主要作用是去除模型表面的钉刺物，达到减小锐化，增大平滑的目的。
模型重建过程如图4所示。
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图4 模型重建
5纹理重建技术
激光雷达数据缺少彩色纹理信息，影像点云与激光点云的配准建立了影像纹理和三维点云模型的对应关系，能够实现影像与点云数据的无缝纹理映射，生成彩色仿真模型。纹理重建技术主要是利用三维几何模型和相机CCD获取的纹理信息数据，利用点与点匹配的原理构建空间对象三维仿真模型。本文以Geomagic软件以及试验数据“ding.wrp”为例来阐述模型重建的过程。模型重建主要包含以下关键技术。
①在软件Geomagic中加载“ding.wrp”数据。
②打开工具命令，纹理贴图，生成纹理贴图，调取相机CCD获得的照片数据。
③投影影像，加载图像，并选择同名点，完成操作。
④点云和模型进行纹理映射，纹理重建完成。
纹理重建过程如图5所示。
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图5 纹理重建
除上述重建手段外，还可以直接利用彩色点云来拟合三角网来构建TIN彩色模型。通过在三维激光扫描仪上安置高分辨率相机，在获取黑白点云的同时捕捉二维照片，在内业处理过程中通过点云和照片像素进行匹配的方式实现点云着色，得到彩色点云。再利用彩色点云直接拟合三角网模型。此种方式主要适用于表面不规则有弯曲的实物。
6 结论与展望
三维激光扫描仪的出现实现了数据获取从单点测绘到多点测绘的跨越，极大提高了作业效率。本文以实验数据为例，对地面三维激光扫描仪的认识及实操、点云配准、模型重建、纹理重建等关键技术问题进行了研究。三维激光扫描获取的三维点云可以快速为古建修复、室内导航、文物保护、工程监测、智慧城市提供精准的基础三维空间数据，解决当前空间数据匮乏的难题，对提升数字化和信息化水平具有极其重要的意义。
参考文献：
[1]蔡瑞斌. 地面激光扫描数据后处理若干关键技术研究[D].同济大学博士论文，2008.
[2]索俊锋，刘勇，蒋志勇，等. 基于三维激光扫描点云数据的古建筑建模[J]. 测绘科学，2017.
[3]田奇丁，陆玉明. 基于激光雷达技术在城市三维建筑模型中的应用分析[J]. 北京测绘，2016.
作者简介：
张勇（1989-），男，硕士研究生，主要从事测绘与地理信息、三维激光扫描、3D打印。
基金项目：
石家庄市重点研发计划项目（191130501A）
论文作者:张勇,原瑞红,王长科
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/16
标签：数据论文; 激光论文; 模型论文; 纹理论文; 扫描仪论文; 技术论文; 关键技术论文; 《基层建设》2019年第29期论文;