基于缺陷点云数据的柱面重建及质量评价.pdf

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1、垫些』堡墅!叁篁：三塑塑!：：：：鋈堕塞堑：：：一一一=：：：：：：：：：——堕型丝基于缺陷占云，lt、‘—、数据的柱面重建及质量评价■陈冲1，郭观明2111．惠州市国土资源局，广东惠州516000；2．江西经济管理干部学院，江西南昌330088摘要：随着三维激光扫描技术的广泛应用，基于点云数据的三维建模越来越受到重视。由于柱状目标大量存在于三维模型中。而在采集时难免会有不完整的数据，因此需要进行修补。在对数据进行配准、滤波的基础上，分割点云片，根据最小二乘准则，通过对缺陷点云数据的拟合。实现柱面的重建，并对柱面模型进行质量评价，取得了较好

2、的实验效果。关键词：激光扫描技术缺陷点云数据三维重建质量评价在常规的测量领域，物体的三维信息往往是通过全站仪和GPS等仪器获取的【lj，对结构比较复杂的目标物时，或者在技术人员难以达到的危险环境时，传统的测量方法不足以获取实体表面丰富的数据信息【2J。三维激光扫描技术是近几年发展起来的一项新兴的非接触性的测绘技术【3J，是通过用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标，然后对这些测量数据利用相关方法进行处理，构造出实物的三维模型，真实地描述目标对象的三维结构及形态特征【4J。随着三维激光扫描技术扫描速度和精度的不断提高，它在矿山测量、地形

3、勘测、古建筑重建、文物保护、城市规划、数字城市、虚拟现实、智能交通等应用领域逐渐增多【5J。由于目标对象自身形状、周边建筑物树木的遮挡、测量设备等因素的限制，在柱面数据采集的过程中会有无法测量的区域，即存在不完整的数据。因此对缺陷点云数据的三维重建技术展开相应的研究具有重要的意义。1三维激光扫描技术的原理三维激光扫描仪采用非接触性的测量方式，通过传动装置的扫描运动，在复杂的空间对目标物进行快速扫描，直接获得被测物体表面的斜距、天顶距、水平方向和反射强度，然后自动存储计算，获得点云数据[6。。2柱面数据的获取聂处理2．1数据采集采用Riegl

4、的VZ一1000三维激光扫描仪，根据江西理工大学校本部图书馆周边白色廊亭的实际情况，考虑相邻站点之间的通视性、站点覆盖的全面性、各个站点的互补性等因素，布设扫描测站点。每站扫描结束后，现场检查数据并进行场景拍照。2．2数椐处理点云数据处理是指对点云数据操作，一般包括数据配准¨J、数据分割、数据滤波、构建网格、曲面重建【8J、修补空洞等过程。(1)数据配准。迭代最近点算法(ICP)是基于最小二乘的最优匹配法，该算法主要用于多视点云数据的配准，不要求建立特征间的联系，需要在对应点云中搜索最邻近点对，利用最邻近点对计算最优变换。(2)点云去噪。在

5、扫描阶段，由于扫描设备的轻微震动、物体表面粗糙、测量方法等影响，使得噪声点混入到数据中，即存在测量误差较大的点位。如果不删除这些点云数据，将会对后续的过程带来不便。基于双边滤波的算法，简单有效，能够在保持目标物特征的同时去除噪声。在双边滤波算法中，某点的灰度值就是邻域灰度值的加权平均值。设点云集合为C={PiER3li=1，2，⋯，n}，集合中任一点Pi的近邻域点集为N(Pi)，单位法向量为ni，则可得到：Pi’=Pi+hni；式中玮7表示点云集合中任一点Pi经过双边滤波后得到的新点；x表示双边滤波权因子，由两点之间的灰度值差异及几何距离决

6、定。(3)分割点云片。在廊亭的点云数据中截取一个圆柱的数据，在柱面的点云数据中，为保证所得的数据的质量，可设置多个切片面，获得多个点云片的数据。(4)拟合数据。分割圆柱体时，切平面与圆柱体的交线为椭圆或圆(若椭圆的长半轴与短半轴相同，即是圆曲线)。当切平面垂直于z轴，没有倾斜时，所得的截面是圆，否则是椭圆。·208·(5)封装数据。将拟合后的数据添加到原始柱面数据中，对点云数据进行封装操作，进而得到由许多三角形构成的网格模型[9

7、。(6)修补空洞。基于网格模型的空洞修补的步骤如下：①将网格模型的空洞进行分类，把处理后的空洞边界作为后续处理的

8、约束条件；②将空洞边界进行优化处理，生成基于径向基函数的隐式曲面方程。③基于所建立的曲面的曲率取截面曲线，利用截面曲线的交点求填充点。④将填充点进行三角剖分并优化处理，然后修补空洞。3柱面模型质量评价3．1地面激光扫描误差分析地面三维激光扫描仪本身产生的误差，主要受角度测量误差、距离测量误差、激光光束性质、被测目标的反射特性、分辨率等的影响。此外，点云数据还受外界环境(如气压、温度、湿度等)因素的影响。3．2点云数据拟合误差分析在拟合、优化和统计过程中，其中SSE表示和方差、误差平方和；RMSE表示均方根、标准差。SSE与RMSE反映拟合误

9、差的好坏，SSE与RMSE越接近于0，说明选择的模型和拟台的程度较好，数据的预测也越成功。选取的5个切片面数据。3。3柱面模型质量分析通过实测，取其平均值，可得到柱面周长为63．