基于三维激光扫描技术的数据建模探析

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基于三维激光扫描技术的数据建模探析

陈亚栋，周 恒，王 义

摘要：在对结构复杂的建筑物进行测量描述时，传统的测量方法存在技术落后、效率低下的问题。随着科技的

发展，三维激光扫描技术应运而生，并在灾害监测、场所

安保、文物保护、变形监测、城市管理等领域得到广泛应

用和高速发展。基于点云数据的三维建模技术的运用，对

于建立完整、精确的三维空间信息数据模型具有重要研究

意义。

关键词：三维激光扫描技术；点云数据；数据建模三维激光扫描技术是上个世纪开始发展的新技术，是

测绘行业在全球卫星定位系统（GPS）之后的一次更高水

平的技术创新。作为一种高效率和高精度的实景复制技

术，三维激光扫描技术将测绘工程的点位信息采集和信息

处理带入了一个新的层面。该技术的关键在于获取大量物

体的三维外观信息，所得到的数据被称为点云数据。点云

数据的获取无需直接接触目标物体，具有智能化、自动化

和适应性强的优点。

上世纪90年代末，CYRA和MENSL引领了测绘行业

新技术应用的潮流，首次将三维激光扫描技术推广到测绘

行业。虽然国内的三维激光扫描技术起步较晚，但也取得

了不错的成果。例如，武汉大学自主研发的LD激光自动

扫描测量系统可以快速高效地获取物体表面的点云数据。

目前，该技术在国内主要应用于灾害监测、古建筑修复、

工业设计和变形监测等领域。

1 三维激光扫描技术1.1 三维激光扫描仪原理

三维激光扫描仪主要由激光测距仪和反射棱镜组成。

它通过发射和接收激光信号来测量距离和角度，然后通过

交会法计算待测点的坐标。同时，根据返回激光信号的反

射强度，结合校正过的彩色相片，可以对扫描点的RGB等

属性信息进行匹配。

地面三维激光扫描仪、CCD相机、数据处理软件和

附属设备共同组成完整的地面三维激光扫描系统。在测

量过程中，虽然无需直接接触目标物体，但需要保证相互

通视，以获取目标的信息数据。采集到的点云数据经过空

间处理，可作为后续建立三维模型和进行目标分析的基础数据。

1.2 三维激光扫描仪的分类

根据操作平台，三维激光扫描仪可以分为固定式和移

动式两种类型；根据有效测量距离，可以分为短距离激光

扫描仪、中距离激光扫描仪、长距离激光扫描仪和航空激

光扫描仪；按照测距形式，又可以分为三角测量式、脉冲

式、相位式和脉冲相位式。

1.3 三维激光扫描仪的特点及应用

近年来，三维激光扫描技术不断成熟，并在各个领域

得到广泛应用。由于它能够通过快速扫描目标获取高精度

的点云数据，并进行三维建模，因此在许多领域备受欢迎。

（1）在测绘工程方面，主要应用于山体滑坡和大坝的

变形监测，隧道变形监测和结构检测，港口航道测绘，矿

山测量和土石方计算等。

（2）在灾害救援方面，可以有效监测滑坡泥石流等自

然灾害，进行核泄露监测，并通过虚拟还原来模拟案发现

场等。

（3）在医学和工业领域，广泛应用于外科整形、矫正

手术等医学应用，为管道结构检测和线路安装维修提供相

关数据，在海洋钻井平台、造船厂等设备测量中使用点云

数据进行三维建模。

2 三维激光扫描仪点云获取及数据预处理2.1 点云数据的获取

三维激光扫描仪的操作步骤包括计划制定、野外数据

采集和室内数据处理。野外数据采集的合理性直接影响到

采集数据的质量，进而影响后续三维模型建立的精度和质

量；而室内数据处理也是关键的一部分。三维建模的质量

很大程度上取决于点云数据的采集精度和预处理的细节，

因此点云数据的采集和处理非常重要。

点云精度受到测站位置的影响，合理选择测站点可以

有效减少冗余数据，提高点云配准和后期建模的精度。

2.2 点云数据

通过激光扫描仪采集的以点为单位记录的数据称为点

云数据，每个点数据都包含三维坐标、色彩信息和激光强

度等信息，点云数据用于描述目标物体的几何形状。根据管理及其他M

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测量传感器的类型，点云数据可以以散乱点云、阵列点云、

线或面排列的扫描点云以及多边形点云等形式呈现。

点云数据具有数据量大、密度高等特点。一般在扫描

大型目标时，可以获取数十万甚至百万计的扫描点，数据

量极大。针对点云数据的采集密度，可以适当调节扫描间

隔来控制。常见的点云数据格式有ASCII格式、OBJ格式、

PTC格式和PTX格式等。

2.3 点云数据的预处理

在实际工作中，数据质量受到环境影响，通常会包含

大量的噪声点和杂点。因此，首先需要对初始点云数据进

行去噪和去杂等处理。

物体的三维特征是自然界物体的特性，因此在扫描过

程中，不可能通过一个测站就能采集到全部的三维信息。

为了采集到相对完整的点云数据，需要对目标进行多个

测站的扫描，从而得到若干组点云数据。由于每次架设仪

器都会建立一个独立的坐标系，所以需要将不同组的点云

数据转换到一个统一的坐标系下进行拼接。这就是点云拼

接的本质，它涉及到不同坐标系之间的转换。根据特征空

间，点云拼接可以分为全局拼接和局部拼接；根据不同

的基元，可以分为基于特征的拼接和无特征的拼接。此

外，还有四元数法、最小二乘法等方法可供选择。

2.4 地面三维激光扫描系统误差

地面三维激光扫描系统主要包括测距和扫描两部分。

因此，在对该技术的误差进行分析时，应该研究不同因素

对接收信号和目标三维坐标精度的影响。通过分析它们之

间的关系，对可能产生的误差进行系统分析，以加强质量

监控并尽量达到完美的效果。激光扫描系统的测量误差可

以分为系统误差和偶然误差，具体如下。

（1）激光扫描仪系统误差。主要来源于仪器本身精度

的问题，包括系统内部轴系间相互旋转引起的测距误差、

扫描角度测量误差以及靠旋转镜片射出和接收激光量测

目标时，旋转镜片本身也会引起误差。

（2）与扫描目标有关的误差。主要包括目标物体表面

粗糙度等影响。由于三维激光扫描系统接收回波信号具有

多值性，并且受到目标物表面粗糙程度不同的影响，扫描

目标的回波信号会导致激光脚点位置的偏差。

（3）外界环境条件的影响。外界环境条件包括温度、

光照条件、风力、气压和空气质量等因素，它们也会对测

量结果产生影响。

3 数据处理及建模研究3.1 三维激光扫描数据的获取

三维激光扫描系统是一种包含多种高新技术和传感器的创新型空间信息获取系统，由仪器本身、数码相机、旋

转平台、软件控制平台、数据处理平台以及电源等其他附

件设备组成。仪器本身主要包括激光测距系统和激光扫描

系统，同时也包含仪器内部控制和校正系统等。首先，激

光脉冲发射器有规律地驱动激光二极管发射激光脉冲，经

过棱镜反射射向目标，其次，通过探测器接收透镜接收目

标表面反射的信号，产生接收信号，并由记录器记录，利

用石英时钟对发射与接收时间差进行计数，通过测量激光

脉冲的相位差来计算之间的距离，同时使用控制模块来测

量每个脉冲激光的发射角度，然后计算出被测物体的三维

坐标。最后，使用相关数据处理软件，按照算法处理原始

数据，计算出采样点之间的空间距离，通过传动装置的扫

描运动，完成对物体的全方位扫描。在整理数据后，将其

转换为能够直接识别和处理的数据信息，经过一系列处

理，获取目标表面的立体模型。

3.2 基于NURBS方法的曲面重构

在数据处理过程中，首先，对点云进行去噪和剔除，

三角网格曲面是在经过预处理后的点云的基础上进行重

建的。其次，可以对三角网格曲面进行编辑修补、分割、参

数化设置、栅格化和平滑处理等操作。最后，通过曲面拟

合技术得到光滑的NURBS曲面。NURBS是一种出色的建

模方法，相比传统的网格方法，它能更好地控制物体表面

的曲线度，创造出更为逼真和生动的造型。

3.3 三维激光扫描数据处理市面上有很多种逆向工程建模软件，以Geomagic󰀃

Studio为例，该软件具有文件读取方便快速、文件格式简

单的特点。高速的数据精简功能解决了其他同类软件拓扑

计算繁琐、运行速度慢的问题。

该软件通过导入基于三维激光扫描仪获取的点云数据

作为基础，可以生成准确的数字化三维产品模型。而且该

软件具有高度自动化、强大的人机交互能力。同时，该软

件支持输出各种格式，可以与CAD、CAE和CAM等软件

兼容，建模效率很高。它通过一系列数据处理操作，将扫

描得到的点云转化为合适的多边形模型和网格，并最终得

到NURBS曲面模型。

Geomagic󰀃Studio的工作流程包括点云处理、多边形阶

段操作、网格参数化和NURBS曲面拟合。采用快速式曲

面造型方式，大大缩短了传统曲面造型所需的时间和人力

投入。在点云转换为多边形的过程中，Geomagic󰀃Studio具

有较高的自动化特性，并能够快速减少多边形的数量。曲

面的创建基于处理后的点云数据，在此基础上划分成四边

形的子网格曲面，然后通过多边形阶段转化为NURBS曲

面。随后，对所有子网格进行参数设置，并使用NURBS曲管理及其他M

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面片进行拟合，从而得到具有一定连续性的CAD模型。最

后，通过曲面分析功能对曲面进行各种调整，并输出适用

于CAD等软件后续处理的格式。

3.4 三维重建模型的质量评价

在逆向工程的应用中，通常使用三维激光扫描仪来

对实物进行扫描，以获取点云数据，然后对这些数据进行

建模，最终生成多种格式的输出，以便于后续的设计开发

利用等。在实际应用中，往往需要在没有原始数据的情况

下，对目标进行三维数据采集，并在此基础上进行分析和

应用。因此，在建模完成后，能否成功地应用于生活和生

产中，取决于重构模型的精度。在建模过程中，精度是评

价模型质量优劣的重要标准。针对规则目标，目前的精度

判断主要是通过比较模型和物体各项参数之间的偏差来

衡量，如面积、体积、尺寸、角度、曲面等。这种评价是一

种整体对比的评价，通过认真地比较得出具体的数量关

系，也可以称为一种量化的评价。对于曲面模型的评价，

还可以根据非量化的指标，如模型表面的光滑性、光照效

果、贴图效果等来进行评价。对于具有复杂几何外形的目

标，只能通过局部评价指标进行评估，包括量化和非量化

两种。评价的方法可以采用最小距离、最大距离、平均距

离等进行。距离指的是建模过程中的拟合误差，其中最大

值和最小值分别对应于限制关系中的最大距离和最小距

离，平均距离是指采样点到其所属重构曲线段的距离的平

均值。在Geomagic󰀃Studio软件中，创建相同特征对就是在

同一坐标系下比较参考模型和测试模型相应特征的方法，

并生成分析报告。

模型重建的误差来源主要包括两个部分，一是点云数

据本身的测量误差，二是重建过程中产生的误差。第一种

误差包括仪器本身的误差、与被扫描物体表面相关的物理

属性误差以及外界环境条件的影响等。第二种误差包括

数据处理引起的误差和曲面重建阶段产生的误差，如点云

数据的转换、点云的简化和曲面拟合等。在逆向工程领域

中，专业的处理软件都具有特有的检测和分析功能，例如

Geomagic󰀃Studio就拥有3D比较功能，可以从中区分出两

个模型之间的误差和精度。减小误差的方法总是以尽可能

减小为目标。在整个实验过程中，误差在各个步骤中不可

避免地存在。我们只有从误差的根源入手，尽可能地减小

或控制各种误差，使其保持在数据允许范围内，才能达到

要求。在逆向工程中，控制误差大小的总原则包括满足模型的几何尺寸、力学性能和装配要求。通常情况下，可以

通过选择更实用的测量设备和方法，在条件允许的情况下

选择精度较高的仪器；尽量减少人为因素引起的影响，如

视觉误差、操作误差、标靶的放置；提高点云计算的精度

并尽量减少数据转换；此外，在建模过程中根据实际情况