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使用激光扫描技术进行三维建模

摘要：本文介绍了三个用于采集数字地面模型的高程数据的技术：地面测量方法，摄影测量方法和图形数字化方法，并补充介绍：使用激光扫描技术采集数据。这篇文章论述了使用激光扫描三维建模的阶段技术。

关键词：地形建模；激光扫描仪；DTM；三维建模

介绍

数字地形模型是一种特殊的电脑表面造型形式，它能用于处理代表地球表面的特定数值的问题。数字地形模型（DTM）的概念最初起源于上世纪五十年代末的美国。从那时起，数字地形模型逐渐取得了相当大的进步，特别是在获取和处理地形的方法信息方面。DTM一词最初作为横截面高度数据用于描述地形。然而，现今的定义更通用，包括网格和网格数据集。还有几个常用的其他的术语也用来描述基本相同的过程，包括数字高程模型（DEM）,数字高程模型（DHM），数字地面模型（DGM）和数字地形高程模型（DTED）。

材料和方法

1数据采集

由于数据采集对于所有地形建模的从业人员来说是非常重要的，基于此点他们立即提出了问题，就是应该使用哪种高程数据采集的方法。以下有四个主要的方法，可用于获取高程数据：

1. 地面测量的方法通常采用总测站；
2. 摄影测量的方法基于stereoplotting仪器的使用；
3. 显示现有地形轮廓的图形数字化方法转化为用字符串表示的数字地图坐标数据和所需高程数据；
4. 激光扫描技术。

如今，地面激光扫描已成为大地应用的一项额外技术。激光扫描仪的使用不断增加。几家公司生产的不同的激光扫描仪都是可用的。

得到的测量结果是一组称为点云的点。通常收集地表模型的数据（点云）的步骤含有以下术语：

——数据采集：测量的点云；

——引用：定义一个参考坐标系统和转换摄影测量系统中的所有数据集（这个过程称为取向）；

——校准：消除系统误差；

——减少噪音测量：这一过程称为过滤或平滑；

——表面建模：估计表面使用三角形不规则网格或估计自由表面。

三维建模是一个通过专门软件把三维的表面进行数学表示的过程，旨在研究对象的属性和转换。获得的产品称为三维模型。它可以显示如下一个二维图像，这一过程被称为3D渲染或使用电脑模拟的物理现象。

2三维建模步骤

建立三维模型的主要方法是：

1. 多边形建模——大多数模型是用于游戏和电影的多边形模型。这种方法是开发3D表面大量的多边形，分组在网络中。这些模型是非常灵活的，可以由计算机非常快地呈现。它的缺点是无法创建平滑的表面。
2. 参数化建模——该方法是使用参数来指定属性的对象。
3. 三维实体建模——这种方法是使用基本的几何对象，如立方体，圆柱体锥和领域，去构建更复杂的模型。这项技术的特点是简单和快速。
4. 非均匀有理样条建模（NURBS），而不是多边形表面建模，允许创建平滑的曲线，但呈现起来较慢。
5. 基于样条曲线或补丁类型表面的建模——与NURBS类似，除了表面的曲线，这是它们的边缘。

3三维建模使用软件

步骤1.过滤数据

第一个操作中的点云数据是后处理过程中过滤的结果，这意味着消除区域外的点，去除噪声影响：风影响，扫描表面的漫反射，障碍，移动人，扫描分辨率等。

图1.原始点云(过滤)

建议采取项目能手动移除的附加项，它可以通过分析扫描区域来轻松识别。在本文的研究中，删除项目是来自隧道入口和出口的超过50米的点，点代表树冠，轨道边上的灌木。这些操作通过“多边形栅栏模式”和“矩形栅栏模式”命令来执行，受益于允许顶视图，前视图，左、右、前或正字法试图的程序查看模式。

图2.过滤点云数据

另一个过滤器，这一次是自动消除很近的点。该仪器是开始扫描分辨率一定距离（10厘米到50厘米）的点。把扫描仪器收集到的大量近距离的点通常定义为同一个对象。他们是没有明显效果的缓慢的信息管理工作。

在命令模式“点云密度”中删除的操作点的密度可以实现五个标准：没有减少，降到最低，平均减少，高降低和非常高的降低。在这种情况下，点是从0%到75%随机减少的。这个过程是适用于扫描短距离密度均匀的点云。

经过过滤和设置这些操作可以根据数据进行最后的建模得到需要的产品。

步骤2.获得TIN模型（三角不规则格网）

另一个重要的标石是建立数字地形模型DEM（数字高程模型）和轮廓线。TIN模型（三角不规则网络）是德劳内创建的三角形网络算法（图3）。

在实践中，获得的数字地形模型被用于模型功能或几何模型（格网、轮廓、TIN）。与其他模型相比，三角单元建模的TIN模型有很多优势和最佳的表达表面。TIN模型减少了网格模型的冗余数据，特别是在区域土地和突然变化中出现的。

图3. TIN模型

TIN模型精度高于其他模型的原因是它的地形模型是使用3D三角形表面生成。

TIN是从菜单中的“工具/网格/创建网格”中完成的。这个操作所需时间取决于表面的复杂性和数量的点。它适用于对复杂对象TIN的模型生成部分（图4）。

图4.实现TIN模型分段

步骤3.修正模型缺陷

修正固有缺陷：空白或峰，发生在创建TIN模型，软件提供了工具来编辑模型。这些缺陷是由于某些地区的低密度点，阴影扫描时，物体的故障点移动造成的。

图5.TIN模型的缺点

消除峰值的操作是“工具/网格/删除”来完成的。填补空白是“工具/网格/填补选择”来填补差值三角形位于最靠近断裂带的差距。图6展示了图5中的断层带在两个例程中的影响。

图6. TIN模型的修正错误

三维建模的最终结果可以在图7中呈现，其他上述步骤被覆盖。

图7.三维图形建模与绘制

结论

地面激光扫描点所获得的数量，在很短的时间内，会形成一个非常准确的地形解释。输入、分析数据和软件处理过程是模块化的，并不需要特殊的资源。筛选数据（点云）涉及删除项目，包括不扫描区域的点，去掉噪声影响：风影响，扫描表面的漫反射，障碍或者运动的人，扫描分辨率，消除太近点，自动完成用户定义的参数。在TIN模型（三角不规则格网）的基础上建立数字地形模型DEM（数字高程模型）比较容易，在随后的自动计算中，基于参考电平，卷，部分，灌装和挖掘卷等。软件提供了广泛的不同格式的数据导入和导出的可能性。这就允许使用的产品来自于其他软件和各种应用程序的扫描结果，尤其是对建模和渲染的应用程序。

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