地面激光扫描仪的操作流程

§11.4　地面激光扫描仪的操作流程

虽然地面激光扫描仪在理论上可以在360°空间内扫描采集数据，但是由于被测量物体往往不规则，或由于空间视线的遮挡等原因，通常无法一次扫描就能完整获取整个物体的空间数据，因此在实际作业过程中需要以不同角度和位置摆设多站点进行扫描。而由于每次扫描的参考坐标不同，因此各站点扫描采集的数据还需经过坐标校正，进行合并和拼接，把多测站采集的激光点云数据的参考坐标统一到同一工程或世界坐标中。

仅仅用激光点云来表现的物体形态还不够直观，可以基于采集的激光点云数据进行模型化(Modeling)处理，然后通过纹理映射制作生成三维真实成果，具体流程将在下面的章节介绍。

11.4.1　点云拼接

每个测站采集的激光点云的参考坐标系统由地面激光扫描仪测站中心的坐标位置、水平面以及起始扫描方向定义，不同测站的点云有不同参考坐标，因此点云拼接工作就是求得各测站间参考坐标系统的转换关系，或以某一测站的坐标系统为公共参考坐标系统，把其他测站采集的数据进行坐标转换后统一进来。

常用的点云拼接方法有公共点拼接、反射体控制点拼接、建站后视法拼接和公共点匹配拼接等，具体描述如下。

1.公共点拼接法

公共点拼接法要求相邻两次扫描的目标范围必须有重叠的公共区域，通过在实地放置至少三个以上公共反射体(Riegl称之为反射体，徕卡称之为标靶，是一种对光有很强漫发射的反射物，与公路交通标志反射物类似，因对激光的反射比周围物体更强烈而很容易通过软件进行分辨)，在相邻两次扫描采集的数据中分别找到这些发射体的位置，通过软件自动计算把两站扫描采集的数据拼接在一起。如此依次传递公共点即可以把所有测站的数据都拼接起来，从而使这些测站的数据都统一到相同的坐标系统中。

2.反射体控制点拼接法

在没有公共反射体或因扫描范围过大、两站间距离比较远无法使用公共点拼接时，可以采用免棱镜全站仪测量出各站扫描的反射体三维坐标，然后反算出摆设各测站时地面激光扫描仪的中心点坐标，由于各站点采集的数据具有相同坐标系统，所以很容易统一拼接在一起，图11-4为扫描仪坐标系与空间坐标系之间关系。

图11-4　扫描仪坐标系与空间坐标系之间关系(lichti，2002)

在每次使用全站仪测量反射体的三维坐标时都要做控制测量，以保证测量成果精度，图11-5为一个完整的采集过程。

图11-5　地面激光扫描仪工作流程示意图

3.建站后视拼接法

徕卡公司个别型号的地面激光扫描仪已经提供了类似全站仪的后视建站法测量功能，采集和拼接数据更为简单快捷。

4.公共点匹配拼接法

如果各测站采集的激光点云数据中有公共的重叠区域，可以通过扫描控制软件移动调整激光点云数据，直至两重叠区域完全匹配重叠，这种方法称为公共点匹配拼接法。该方法目前无法全自动化，只能通过手工操作的方式人为判断拼接效果。

11.4.2　激光点云三维建模

在地面激光扫描仪直接采集的数据中，除目标对象外，还包括其他数据，如植被、噪音点等。通过对激光点云数据中的植被进行分类、噪音点去噪等操作，方可得到目标对象真实轮廓点云数据，在此基础上采用逆向三维建模，制作生成目标对象真实逼真的三维效果。

去除植被和噪音点的算法基本是相同的，都是通过计算拟合出地面或曲面的平均面，把超出一定距离的激光点云数据分离或删除，最终保留没有凸边的激光点云数据即为地面点或曲面点。常用处理软件有PolyWorks和Terrasolid等，由于这些软件还具有对去除点云后的TIN模型进行修补等实用功能，因此为众多地面激光扫描仪的数据处理首选软件。

采用逆向工程(Reverse Engineering)技术基于激光点云数据实现对不规则物体的三维模型，生成非均匀纹理B样条曲面(NURBS)模型，如图11-6所示。

图11-6　基于激光点云和实景影像配合三维建模

建模包含两大步骤:第一步为利用地面激光仪采集实物或模型表面数据;第二步根据测量所得的一系列几何表面激光点云数据，构造出型体曲线和曲面，最终重构生成三维模型，如图11-7所示。

图11-7　基于点云特征点纹理贴图示意图

把激光点云数据导入CAD制图系统中，可以制作生成满足工程需求的各类图纸，如图11-8所示。与传统的将散点导入CAD制图系统生成矢量点不同，地面激光扫描仪采集的激光点云数据非常庞大，而目前绝大部分CAD制图系统均无法支持如此海量的激光点云数据，因此必须进行分块处理，再导入到CAD制图系统中，利用其绘制编辑工具对点云进行任意方向的剖面切割和勾绘建模。

图11-8　点云生成曲面示意图

目前，各地面激光扫描仪厂家都有配套CAD制图系统插件工具，比如Riegl公司与老牌近景摄影测量软件PHOCAD公司合作开发的PHIDAS软件、徕卡公司开发的CloudWorx软件和德国KUBIT公司的POINOCULB软件，等等。

11.4.3　正射影像制作

如图11-9所示，在一个UVW坐标系统中定义的正射影像。

图11-9　位图的制图面平行于UV平面

在UVW系统中通过(U_LL，V_LL，W_LL)定义正射影像的左下角，在当前任务坐标系统PRCS中，UVW系统的原点被定义为(X0，Y0，Z0)。在ZOP文件中的深度信息遵循同样的次序，由左到右，从上到下。

在正射影像中以i和j给定像素坐标，i定义为从左到右，j定义为从上到下，因此，UVW系统的坐标可以通过下式进行计算

通过一个旋转矩阵R_ZOP和一个转换矢量

在UVW中的每一个点，即:P_UVW=(u，v，w)^T，可通过下面的公式转换到当前系统PRCS中

P_PRCS=(x，y，z)^T=R_ZOPP_UVW+T_ZOP

由于地面激光扫描仪的扫描位置与被扫描物体不可能是很垂直的，所以必须对采集到的影像进行正射纠正，图11-10为Riegl扫描数据结合Phidas进行正射纠正示例。

图11-10　影像正射纠正示例图

11.4.4　DLG和电子沙盘制作

由于地面激光扫描仪作业灵活方便，可以同步采集高精度激光点云和数码影像数据，因此非常适合用于小型工程(小区域)的地形数据采集，经数据处理后制作生成电子沙盘，在此基础上可以进行土方计算、地形图制作等应用。

图11-11为采用地面激光扫描仪制作电子沙盘和地形图的工作流程示意图。

图11-11　地面激光扫描仪制作DLG和电子沙盘流程示意图