三维激光扫描数据处理操作说明

三维激光扫描数据处理操作说明
中国地质大学三峡中心
钟成
2015年12月
1. 配置要求
扫描要求：密度高，扫描全面，站间重叠度高。

系统配置：XP系统，32位，有D盘盘符。

软件安装：
ILIRS-3D软件包（绿色）
polyworks_10_0_3_32bit.exe,
chanzhuang.exe和配套库，
Geomagic Studio10,
TexCapture1.1。

Matlab 10.0
2. 数据预处理
2.1. 数据转换
2.1.1. 数据导入
打开ILIRS-3D软件包中Parser 5.0.1.4中Parser.exe，界面如图2.1.1：
图2.1.1
点击Add找到笔记本中存储扫描数据的文件夹：
图2.1.2
出现以下界面：
图2.1.3
工具栏中放大缩小按钮可用于观察扫描范围。

2.1.2. 基本设置
然后点击setting对解压过程进行设置，出现如2.1.4界面。

图2.1.4
其中，Outputfile界面，主要设置输出路径和格式。

默认路径在保存点云文件夹下，不用改。

默认选择PIF格式，24-bit texture，也就是有颜色信息的点云，如果是8-bit scaled 则是点云强度信息。

PIF格式是polyworks支持的格式。

如果选择XYZ格式，则以ASCII码形式输出，也可以定义是否需要输出颜色信息。

该格式可直接被Geomagic打开。

图2.1.5
2.1.
3. 颜色设置
然后，在最左边列表里选择Color Channel，出现如下界面：
图2.1.6
选中，
默认的在会出现相应的照片信息，如果没有，则检查存储扫描数据的文件夹里是否有照片文件。

在里，默认是没有文件内容的，点击，到“ILIRS-3D”软件包，找到文件“10384 CameraCalParam.txt”即可。

2.1.4. 平移参数设置
然后在最左边列表里选择Pan tilt Transform，出现如下界面：
图2.1.7
按顺序选中
点击，到“ILIRS-3D”软件包，找到文件“120111PanTiltCalParam.txt”即可。

最后点击，保存上述所有设置。

2.1.5. 执行解压转换
回到主界面。

点击，等待执行完成。

若还要继续解压新的数据包，则先点击，再点击，开始新的过程。

也可在Add时，添加多个数据包，那么在Setting时需要分别对每个数据包进行设置，然后点击执行，完成后，点击删除全部。

2.1.6. 数据浏览
打开PolyWorks 10.0，得到如下界面：
图2.1.8
点击第四个按钮，等待打开IMInspect,，
图2.1.9
点击File-Import data – Neutral/InnovMetric(PIF)，如图：
图2.1.10
找到之前解压缩到位置，打开后缀为.PIF的文件，并进行如下显示设置：
图2.1.11
即对全局，静态和动态显示均设置为point，如果数据量过大，则显示密度可选为1/4，1/16等。

工具栏最右边的PSize设置为1.
最终，选中3D Scene，显示效果如图2.1.12。

图2.1.12
在该窗口中，按住滚轮移动鼠标，实现平移，左键实现三维旋转，按住右键实现放大缩小。

如果数据看不见，选中数据，右键菜单选择View-》Centre on Screen
2.2. 数据配准
如果仅需要单站扫描数据，本步骤可以忽略，如果扫描目标很大，需要将多站数据融合才能完整描述，则需要执行本操作。

2.2.1 数据导入
在polyworks主界面，点击左边第一个按钮，打开IMAlign。

图2.2.1
得到IMAlign主界面如图2.2.2，保持选中3D Scene。

图2.2.2
选择Config-Digitizer
得到扫描仪设置界面，我们的设定如图2.2.3：
图2.2.3
然后，设置显示设置如2.1.6节。

从File-Import images – Import Optech (PIF) 打开需要配准的多个文件包。

一个文件包里含有的多个文件属于同一个扫描站，不需要配准，如果这些文件不能对齐，表明是解压缩时没有设定平移参数，请参阅2.1.4节.。

图2.2.4
首先会出现如下界面：
无论选择Yes或No，都可对细分角度和密度进行设置，请选择Yes，并按图2.2.5
设定参数。

图2.2.5
弹出界面如图
图2.2.6
点击，关掉向导。

在界面（图2.2.7）上保持默认设置，点击OK，将数据依次导入。

然后再重复上述过程，导入另一站点的数据。

图2.2.7
需要注意，因为采用较大的间隔，数据显示效果不如在IMIspect界面中。

同时调入两站数据之后，如图2.2.8：
图2.2.8
2.2.2 数据配准
首先在左边treeview里将数据分组，将每一站点数据编为一组。

按住Crtl键鼠标连续点中第一组数据，在右键菜单选择edit->Goup，完成编组。

图2.2.9
编组结果如图2.2.10
图2.2.10
然后选择Align-> Split view，在弹出的向导框里选择Close Wizard，在视图里保持3D Scene，显示结果如图2.2.11。

图2.2.11.
图2.2.11分别将两组数据显示在不同视图，便于分别选择特征点。

此时可以分别在视图内调整点云的显示状态，使得便于观察和后续选择特征点。

其操作如2.1.6所述。

然后选择Align-> N Point Pairs，在弹出的向导框里选择Close Wizard，在视图里保持3D Scene状态，此时鼠标图标变成一支笔，可以分别在两幅视图中依次点选特征点。

需要浏览视图时，敲击空格键实现浏览与点选功能的切换。

如果要退出该模式，直接按ESC键。

图2.2.12.
由于数据的特点，不需要非常精确的选中同名特征，位置基本准确即可，最少选中三对点，要较全面的覆盖数据范围。

最后点击鼠标右键，保持3D Scene状态，可见数据基本配合到一起，但是存在一定的误差。

图2.2.13.
选择Align-> Best-fit Alignment & Comparison，启动自动优化界面，如图2.2.14。

图2.2.14
图中参数保持默认，点击Start，自动进入误差统计界面，并开始优化。

图2.2.15
完成后，选择Close，观察结果。

如果配准结果较好，即两组数据之间不再有明显的裂缝或错位，则保存数据，否则重新启动配准，从Spit view开始。

2.2.3 结果保存
选择File->Save Project as，得到如下界面：
图2.2.16
可以随意命名，不要重复，Destination Workspace 最好与之前的过程数据放在同一文件夹，便于后续查找。

如下图：
在关闭IMalign时候，会弹出如下对话框，询问是否减少重叠区域数据量。

图2.2.17
一般选择Yes，然后对弹出的对话框执行Start即可。

图2.2.18
3. 工程地质应用
3.1 特征量测
这个部分主要在IMIspect中完成，在主菜单打开IMIspect。

3.1.1 数据导入
如果是单站数据，按照2.1.6.节所述导入数据，如果是要加入配准后的多站数据，选择File->Open object，弹出如下对话框
图3.1.1
如果没有我们命名的Workspace和IMAlign Projects，点击Add Workspace，去寻找我们命名保存的Workspace。

然后点击Open打开，导入当前工作空间。

3.1.2 坐标变换
搜索定位预先测量了坐标的位置，点击空格键，出现十字符号，进入选择模式. 按住Ctrl+Shift，敲击鼠标滚轮，圈选范围，右键结束，可以获得一个点云选择集，然后选择创建点特征，如下3.1.2（a），出现3.1.2（b），并按图中设置参数。

（a）（b）
图3.1.2
点击创建，即可获得一个点目标。

在对所有量测目标都创建点之后，从外界导入这些坐标的量测值。

坐标文件定义如下：
导入坐标值的操作步骤如下图：
图3.1.3
在弹出对话框中，注意选择文件格式与自定义格式一致，此处为Names+points，如图3.1.4.
图3.1.4.
文件导入之后，在tree view的Feature中会出现文件中的点，其名称与坐标文件中定义的一致。

选择Align->Align N Paris of Center points，在弹出的对话框里选择对应的导入坐标点和之前从点云中创建的点，建立相应的匹配关系，如图3.1.6.
图3.1.6
其中source 选择Feature中由点云创建的特征点，Destination选择由外部文件导入的特征，注意一一对应关系。

完成配对关系之后，选择Align即完成坐标转换工作。

3.1.3 基本测量
选择Measure->Basic Measure，弹出对话框如图3.1.7。

图3.1.7
选择需要的测量工具，直接在点云上执行测量。

可实现对岩石面积，长度，裂隙长度等待测量。

3.2 产状计算
3.2.1 平面生成
点击空格键，出现十字符号，进入选择模式.
按住Ctrl+Shift，敲击鼠标滚轮，圈选范围，右键结束，可以获得一个点云选择集，然后选择创建面特征。

如图3.2.1所示进行选择，得到创建平面对话框，依图3.2.2进行配置。

图3.2.1
图3.2.2
切换到浏览模式，查看生成的面是否贴合兴趣平面。

图3.2.3
平面导出，选中平面，右键菜单Export-> To Text File
平面导入，File-> Import Primitives-> Planes from Text File.
3.2.2 产状计算
利用外部程序和面的参数进行计算。

3.3 模型和等高线制作
3.3.1 数据接口
首先将点云以ASCII码导出，选中数据块，右键菜单Export->ASCII Point Cloud，如图3.3.1.
图3.3.1
在弹出的对话框里，Template选择Points Only 即可，也可选Points+RGB等。

然后文件名加上“.XYZ”后缀。

如果是单站数据，也可以在2.1.2节设置数据格式时，直接以“.XYZ”形式输出。

图3.3.2
启动Geomagic，文件->打开，然后找到保存到xyz文件，打开，会弹出以下对话框3.3.3（a）：
（a）（b）
图3.3.3
根据数据量大小自己选择，50%或33%比较合理。

然后弹出3.3.3（b），选米。

得到图3.3.4.
图3.3.4
视图中的浏览方式比较奇怪，在其状态栏中有说明，如图3.3.4.
3.3.2 三维建模
然后选择菜单“点（P）”->“封装（W）”（3.3.5（a）），得到 3.35（b），默认曲面，点击确定，开始执行，等待，结果如图3.3.6。

（a）（b）
图3.3.5
图3.3.6
因图中有很多小孔，选择“多边形（p）”->“填充空（E）”，主界面右下出现填充空对话框，如图3.3.7.
图3.3.7.
按图3.3.1中设置，直接按全部填充，等待执行，一般会弹出以下对话框。

图3.3.8
这是说有一些超大但空洞，选择取消，否则出现的结果很差。

然后点击图 3.3.7中的确定，完成空洞填充。

选择文件-》另存为，保存为DXF格式。

Geomagic中也可进行量测和体积计算工作。

3.3.3 制作等高线
等高线可用于高精度数值模拟。

在IMINspect中，选择File->Import Data->Polygonal Model
图3.3.9
找到刚才导出的dxf文件，打开结果如图3.3.10。

图3.3.10
此时也可以进行量测，产状计算等工作。

为了后续色彩增强使用，可以将模型选中导出，在右键菜单里选择Export-> Polygonal Model.。

在弹出对话框里，选择格式为Innovmetric Files（.pol）
在Tree View点中Cross-Section,右键菜单里选择Create，如图3.3.11.
图3.3.11.
在弹出的对话框里设置参数如图3.3.12.
图3.3.12
其中，Start point Z和End point Z 需要根据实际的数据Z值范围来设置，Step也可根据实际需要修改，其他的不用修改。

设置完成后，点击Create，关掉dxf文
件的显示（右键View->hide），得到图3.3.13.
图3.3.13
可见有些等高线是断裂的，这要求我们扫描的时候尽量完整，如现在这样的情况，需要转出到AutoCAD中进行编修。

点击File->ExportObjects->Primitives & Cross Sections to DXF，保存为dxf文件。

然后在AutoCAD中打开修改。