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

點云是目標(biāo)表面特性的海量點集合，點云越密集，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，我們可以得到大量密集的點，這些點帶有三維坐標(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)建了可識別的三維結(jié)構(gòu)。



一.如何創(chuàng)建點云

目前，點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對象表面的三維坐標(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)以點云和圖像的形式儲存在掃描儀設(shè)備里，運用Trimble RealWorks進(jìn)行一定處理后，能獲取建筑物的相對位置信息、尺寸、紋理和形狀，進(jìn)而建立真實的物體數(shù)據(jù)模型。



二.點云數(shù)據(jù)處理

在三維激光掃描的過程中，點云數(shù)據(jù)的獲取常常會受到物體遮擋、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，形成孔洞。同時由于掃描測量范圍有限，對于大尺寸物體或者大范圍場景，不能一次性進(jìn)行完整測量，必須多次掃描測量，因此掃描結(jié)果往往是多塊具有不同坐標(biāo)系統(tǒng)且存在噪聲的點云數(shù)據(jù)，不能夠完全滿足人們對數(shù)字化模型真實度和實時性的要求，所以需要對三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、簡化、配準(zhǔn)以及補(bǔ)洞等預(yù)處理。



通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，可以有效剔除點云中的噪聲和外點，在保持幾何特征的基礎(chǔ)上實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)簡化，并將不同角度掃描的點云統(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)

點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，又稱為點云拼接或坐標(biāo)糾正，是點云數(shù)據(jù)處理時最主要的數(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測站，才能把目標(biāo)物掃描完整，每一測站掃描數(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，會受到掃描設(shè)備、周圍環(huán)境、人為擾動、目標(biāo)特性等影響，使得點云數(shù)據(jù)無法避免的存在一些噪點，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正確表達(dá)掃描對象的空間位置。



噪聲點主要分為三類：

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

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；

3）由于測量設(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

數(shù)據(jù)精簡就是在精度允許下減少點云數(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)，對建模的速度以及質(zhì)量有很大影響，對于這部分?jǐn)?shù)據(jù)要予以去除。

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



4.數(shù)據(jù)分割

對于較為復(fù)雜的掃描對象，如果直接進(jìn)行點云數(shù)據(jù)建模，會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。所以對于復(fù)雜的建模對象，我們一般會進(jìn)行點云數(shù)據(jù)分割，然后再分別建模，最后再進(jìn)行組合。



點云數(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）是逆向工程的一個分支，是基于現(xiàn)實中存在的實物通過掃描進(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云，通過對點云的疏密度及空間位置的計算從而生成三維模型這個過程叫點云轉(zhuǎn)三維模型，最后將紋理映射到三維模型上，生成一個完整的三維模型。

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場景。

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

激光點云數(shù)據(jù)處理及逆向建模具體教程：

1.點云模型處理：

1）點云分割

2）點云分類

2. 點云建模：

1）建模軟件

2）建模方式

3）建模插件介紹

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【教程申請表】

四.點云建模和應(yīng)用

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

1.點云三維建模

點云建模需要利用三維實景建模軟件ContextCapture，ContextCapture可以更好地評估點云并生成更精確的工程模型。

ContextCapture可以對點云進(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，能快速高效地對竣工條件進(jìn)行建模并支持設(shè)計流程。

點云數(shù)據(jù)與實景影像融合成果

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



2.數(shù)字高程模型（DEM）

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

同時，通過對點云數(shù)據(jù)自動化預(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，剩余的地面點通過構(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)。



利用點云生成的DEM模型，可以用來進(jìn)行土方計算、檢測地質(zhì)災(zāi)害等。

1）土方計算

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



2）監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害

通過地形三維模型的建立，大面積監(jiān)測地形的變化，將在不同時間點掃描的點云進(jìn)行比較，以作出風(fēng)險評估，為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)。

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