在現(xiàn)實(shí)世界中，我們被無(wú)盡的景象所包圍著：高聳入云的建筑、起伏不平的地形、郁郁蔥蔥的植被……如何將這些復(fù)雜的立體景象準(zhǔn)確地呈現(xiàn)在數(shù)字化平臺(tái)上？答案就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)。那么，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是怎么產(chǎn)生的？怎么處理？怎么建模？本文就來(lái)一一為您解析這些問(wèn)題。

一、點(diǎn)云數(shù)據(jù)是怎么產(chǎn)生的？

1. 什么是點(diǎn)云？

點(diǎn)云，顧名思義，即由大量離散點(diǎn)組成的三維數(shù)據(jù)集。每個(gè)點(diǎn)都具有自己的坐標(biāo)和可能的屬性，如顏色、法線等。它們構(gòu)成了一個(gè)立體空間中的抽樣，每個(gè)點(diǎn)都是場(chǎng)景中的一個(gè)位置。

2. 點(diǎn)云的獲取方法

要生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，關(guān)鍵在于如何獲取它們。主要的獲取方法包括激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描和立體視覺(jué)等。

激光掃描是最常見(jiàn)的點(diǎn)云獲取方法之一。通過(guò)激光器發(fā)射激光束，掃描場(chǎng)景并測(cè)量反射回來(lái)的激光束，可以獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息以及激光點(diǎn)的時(shí)間和強(qiáng)度信息等。激光掃描可分為單點(diǎn)掃描和線掃描兩種方式，分別適用于不同的場(chǎng)景。

3. 激光掃描的過(guò)程

當(dāng)我們使用三維激光掃描儀掃描建筑表面時(shí)，會(huì)得到大量密集的點(diǎn)。這些點(diǎn)具有三維坐標(biāo)（XYZ）、激光反射強(qiáng)度和顏色信息（RGB）等。它們共同創(chuàng)建了可識(shí)別的三維結(jié)構(gòu)。

以Trimble為例，他們的三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)以點(diǎn)云和圖像的形式儲(chǔ)存在設(shè)備里。通過(guò)運(yùn)用Trimble RealWorks進(jìn)行一定處理，能夠獲取建筑物的相對(duì)位置信息、尺寸、紋理和形狀，從而建立真實(shí)的物體數(shù)據(jù)模型。

Trimble三維激光掃描儀主要掃描過(guò)程和技術(shù)流程如下：



二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

點(diǎn)云預(yù)處理成果→噪聲點(diǎn)濾除→坐標(biāo)轉(zhuǎn)換→點(diǎn)云自動(dòng)分類(lèi)→根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)檢查合格→人工編輯分類(lèi)結(jié)果→地面點(diǎn)→構(gòu)建數(shù)字高程模型→等高線、高程點(diǎn)成果。

各步驟詳解

1. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)

在處理過(guò)程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分類(lèi)，以便后續(xù)處理。根據(jù) TerraSolid 軟件的分類(lèi)圖層，可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為不同類(lèi)別，如地面點(diǎn)、植被點(diǎn)、建筑物點(diǎn)等，以便進(jìn)一步的處理和分析。

· 地面點(diǎn)（Ground）：包括地表真實(shí)地貌以及與地面相連接的人工構(gòu)筑物，如路堤、土堤、階梯路等。

· 植被點(diǎn)（Vegetation）：包括地表的植被，如草地、灌木、竹林等。

· 建筑物點(diǎn)（Building）：包括地表建筑物的點(diǎn)，如房子、溫室大棚等。

2. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)成圖

在分類(lèi)完成后，需要將地面點(diǎn)進(jìn)行建模，生成數(shù)字高程模型（DEM），并進(jìn)行高程信息的提取和等高線的生成。

· 地面點(diǎn)模型處理：通過(guò)觀察模型并進(jìn)行人工干預(yù)，確保生成的三角網(wǎng)合理，如出現(xiàn)不合理的三角網(wǎng)，需要手動(dòng)進(jìn)行修正。

· 高程信息獲取：分離出等高線關(guān)鍵點(diǎn)，利用軟件自動(dòng)生成等高線，并根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)置參數(shù)，如最小面積、光滑度等，生成所需比例尺的等高線。

3. 地形圖地物信息采集

結(jié)合地面點(diǎn)模型和正射影像（DOM），進(jìn)行地物要素的繪制，包括管線、水系、房子、道路等。植被種類(lèi)的填充可通過(guò)影像與點(diǎn)云的斷面圖進(jìn)行判斷，并結(jié)合外業(yè)調(diào)繪成果完成地形圖的制作。

4. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)

通過(guò)外業(yè)測(cè)點(diǎn)檢查，對(duì)高程的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)誤差范圍進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行比較，如 NB/T 35029—2014《水電工程測(cè)量規(guī)范》。

三、如何對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模？

利用實(shí)景建模軟件ContextCapture可以更好地評(píng)估點(diǎn)云并生成更精確的三維模型。

ContextCapture 的功能優(yōu)勢(shì)：

· 增強(qiáng)、分割、分類(lèi)點(diǎn)云：通過(guò) ContextCapture，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)、分割和分類(lèi)，使得處理后的數(shù)據(jù)更易于理解和應(yīng)用于建模過(guò)程中。


激光掃描車(chē)與實(shí)景影像融合成果

· 與工程模型結(jié)合：該軟件支持將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與工程模型相結(jié)合，從而為工程設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

· 高級(jí)三維建模功能：ContextCapture 提供了高級(jí)的三維建模工具，如橫截面切割、斷裂線和地形提取，能夠快速高效地對(duì)竣工條件進(jìn)行建模，并且能夠支持設(shè)計(jì)流程的進(jìn)行。

· 動(dòng)畫(huà)和渲染生成：除了建模外，該軟件還支持生成用于展示的動(dòng)畫(huà)和渲染，使得建模成果更加生動(dòng)直觀。

此外，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，ContextCapture 還可以生成非常龐大的可縮放地形模型。這些模型可以與原始數(shù)據(jù)源同步更新，保持模型的最新?tīng)顟B(tài)。這種實(shí)時(shí)更新的特性使得用戶能夠隨時(shí)獲得全局、最新和綜合的數(shù)據(jù)表示，可用于各種顯示模式、執(zhí)行分析，以及生成動(dòng)畫(huà)和可視化效果。


一分鐘教你學(xué)會(huì)三維激光點(diǎn)云建模