隨著上世紀(jì)九十年代，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，點(diǎn)云概念開始被提及。

點(diǎn)云是目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合，點(diǎn)云越密集，反映的圖像細(xì)節(jié)和信息就越多。

當(dāng)我們利用三維激光掃描儀掃描某一建筑表面時(shí)，我們可以得到大量密集的點(diǎn)，這些點(diǎn)帶有三維坐標(biāo)（XYZ）、激光反射強(qiáng)度和和顏色信息（RGB）等信息，它們共同創(chuàng)建了可識(shí)別的三維結(jié)構(gòu)。



一.如何創(chuàng)建點(diǎn)云

目前，點(diǎn)云的獲取方式一般是通過三維激光掃描儀，三維激光掃描儀通過掃描選定的目標(biāo)物體或環(huán)境后，能大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

下面，我們以Trimble三維激光掃描儀為例，一起來看下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的具體創(chuàng)建過程。

Trimble三維激光掃描儀主要掃描過程和技術(shù)流程如下：



Trimble三維激光掃描儀最終采集的數(shù)據(jù)以點(diǎn)云和圖像的形式儲(chǔ)存在掃描儀設(shè)備里，運(yùn)用Trimble RealWorks進(jìn)行一定處理后，能獲取建筑物的相對(duì)位置信息、尺寸、紋理和形狀，進(jìn)而建立真實(shí)的物體數(shù)據(jù)模型。



二.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在三維激光掃描的過程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取常常會(huì)受到物體遮擋、光照不均勻等因素的影響，容易造成復(fù)雜形狀物體的區(qū)域掃描盲點(diǎn)，形成孔洞。同時(shí)由于掃描測(cè)量范圍有限，對(duì)于大尺寸物體或者大范圍場(chǎng)景，不能一次性進(jìn)行完整測(cè)量，必須多次掃描測(cè)量，因此掃描結(jié)果往往是多塊具有不同坐標(biāo)系統(tǒng)且存在噪聲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不能夠完全滿足人們對(duì)數(shù)字化模型真實(shí)度和實(shí)時(shí)性的要求，所以需要對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、簡(jiǎn)化、配準(zhǔn)以及補(bǔ)洞等預(yù)處理。



通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，可以有效剔除點(diǎn)云中的噪聲和外點(diǎn)，在保持幾何特征的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，并將不同角度掃描的點(diǎn)云統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，為后續(xù)的曲面構(gòu)建及三維實(shí)體模型生成提供穩(wěn)健的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。



1.數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，又稱為點(diǎn)云拼接或坐標(biāo)糾正，是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)最主要的數(shù)據(jù)處理之一。由于目標(biāo)物的復(fù)雜性，通常需要從不同方位掃描多個(gè)測(cè)站，才能把目標(biāo)物掃描完整，每一測(cè)站掃描數(shù)據(jù)都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，要獲得完整的數(shù)據(jù)必需把不同測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)糾正到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，這就需要點(diǎn)云拼接。



2.數(shù)據(jù)去噪

在利用三維激光掃描儀掃描目標(biāo)時(shí)，會(huì)受到掃描設(shè)備、周圍環(huán)境、人為擾動(dòng)、目標(biāo)特性等影響，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法避免的存在一些噪點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正確表達(dá)掃描對(duì)象的空間位置。



噪聲點(diǎn)主要分為三類：

1）由于物體表面材質(zhì)或光照環(huán)境導(dǎo)致反射信號(hào)較弱等情況下產(chǎn)生的噪點(diǎn)；

2）由于掃描過程中，人、車輛或其他物體從掃描儀器與物體之間經(jīng)過而產(chǎn)生的噪點(diǎn)；

3）由于測(cè)量設(shè)備自身原因，如掃描儀精度、相機(jī)分辨率等引起的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。

3.數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)就是在精度允許下減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，提取有效信息。一般分為兩種：去除冗余與抽稀簡(jiǎn)化。

冗余數(shù)據(jù)是指在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后，其重復(fù)區(qū)域的數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)呈大，多為無用數(shù)據(jù)，對(duì)建模的速度以及質(zhì)量有很大影響，對(duì)于這部分?jǐn)?shù)據(jù)要予以去除。

抽稀簡(jiǎn)化是指掃描的數(shù)據(jù)密度過大，數(shù)量過多，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)于后期建模用處不大，所以在滿足一定精度以及保持被測(cè)物體幾何特征的前提下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。以提高數(shù)據(jù)的操作運(yùn)算速度、建模效率以及模型精度。



4.數(shù)據(jù)分割

對(duì)于較為復(fù)雜的掃描對(duì)象，如果直接進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，會(huì)使得建模過程十分困難，三維模型的數(shù)學(xué)表達(dá)變得復(fù)雜。所以對(duì)于復(fù)雜的建模對(duì)象，我們一般會(huì)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割，然后再分別建模，最后再進(jìn)行組合。



點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割應(yīng)該遵守以下準(zhǔn)則：

1）分塊區(qū)域的特征單一且同一區(qū)域內(nèi)沒有法矢量及曲率的突變；

2）分割的公共邊盡量便于后續(xù)的拼接；

3）分塊的個(gè)數(shù)盡量少，可減少后續(xù)的拼接復(fù)雜度；

4）分割后的每一塊要易于重建幾何模型。

三.逆向建模

逆向建模（Reverse Modeling）是逆向工程的一個(gè)分支，是基于現(xiàn)實(shí)中存在的實(shí)物通過掃描進(jìn)行逆向建模的一種方式。

逆向建模技術(shù)中包括：點(diǎn)云逆向建模、照片逆向建模、三維掃描逆向建模等技術(shù)。無論是照片逆向建模、雷達(dá)掃描逆向建模、激光掃描逆向建模最先生成的都是點(diǎn)云，通過對(duì)點(diǎn)云的疏密度及空間位置的計(jì)算從而生成三維模型這個(gè)過程叫點(diǎn)云轉(zhuǎn)三維模型，最后將紋理映射到三維模型上，生成一個(gè)完整的三維模型。

逆向建模是一種不同的建模思路，但是無論采用哪種逆向建模的技術(shù)，都需要相應(yīng)的設(shè)備，生成的模型經(jīng)過修改后能適用于各個(gè)場(chǎng)景。

逆向建模的應(yīng)用非常的廣泛。前期掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以應(yīng)用在地理信息服務(wù)、測(cè)繪工程服務(wù)、大型勘探輔助、戶外大型項(xiàng)目宣傳檢測(cè)等。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及逆向建模具體教程：

1.點(diǎn)云模型處理：

1）點(diǎn)云分割

2）點(diǎn)云分類

2. 點(diǎn)云建模：

1）建模軟件

2）建模方式

3）建模插件介紹

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四.點(diǎn)云建模和應(yīng)用

利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，既可用于建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)景的三維可視化模型，又可以用于生成數(shù)字高程模型（DEM），用于土方計(jì)算、檢測(cè)地質(zhì)災(zāi)害等。

1.點(diǎn)云三維建模

點(diǎn)云建模需要利用三維實(shí)景建模軟件ContextCapture，ContextCapture可以更好地評(píng)估點(diǎn)云并生成更精確的工程模型。

ContextCapture可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行增強(qiáng)、分割、分類，并與工程模型相結(jié)合。利用ContextCapture的高級(jí)三維建模、橫截面切割、斷裂線和地形提取功能，能快速高效地對(duì)竣工條件進(jìn)行建模并支持設(shè)計(jì)流程。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)景影像融合成果

ContextCapture建模具體過程，請(qǐng)掃描下方二維碼，查看教程教學(xué)：



2.數(shù)字高程模型（DEM）

利用獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過噪聲點(diǎn)處理后進(jìn)行柵格化，可以生成高質(zhì)量的數(shù)字表面模型（DSM)。

同時(shí)，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)化預(yù)處理，再利用人工編輯進(jìn)行地面濾波，濾除其中的非地面點(diǎn)，剩余的地面點(diǎn)通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）等模型進(jìn)行柵格化，可得到高精度的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，也可以轉(zhuǎn)換為等高線數(shù)據(jù)。



利用點(diǎn)云生成的DEM模型，可以用來進(jìn)行土方計(jì)算、檢測(cè)地質(zhì)災(zāi)害等。

1）土方計(jì)算

通過激光掃描儀得到的高精度激光點(diǎn)云，可用于構(gòu)建地形三維模型，為勘察設(shè)計(jì)提供斷面量測(cè)、坡度坡向量測(cè)、土方填挖量等信息，大大減少工程勘察設(shè)計(jì)中的外業(yè)工作量，縮短工作周期。



2）監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害

通過地形三維模型的建立，大面積監(jiān)測(cè)地形的變化，將在不同時(shí)間點(diǎn)掃描的點(diǎn)云進(jìn)行比較，以作出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)。

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