摘要：在国民经济建设的很多领域中，三维激光扫描技术都被广泛的应用，现如今，这门技术已经作为高校教学课程中的新兴课程。本文主要介绍了关于激光点云的配准方法和采集实验的具体过程，并论述建筑物三维建模与激光点云复杂曲面的实验方法，通过这些实验教学，可以使学生的综合实践操作能力得到有效的提升。
关键词：实验教学;三维建模;三维扫描
在城市规划、房产管理、建筑设计以及文物保护等众多领域中，精细的三维模型在都占据了非常重要的位置，所以我国针对三维模型应用开展了《三维激光扫描》课程。在我国，现阶段通过地面扫描仪采集大量激光点云来自动建模的方式还并不成熟，由于激光点云的空间分布方式为三维离散点，因此利用二维绘图绘制出来的点云模型会导致位置出现严重的偏差。三维激光扫描作为开展不久的新兴课程，理论发展还比较缓慢，一般是通过上机实验来掌握和运用激光点云的建模方法。通过选用AutoCAD、3DsMax、Microstation、Sketchup等软件可以实现规则实体的建筑建模，如果建模是曲面分布，则可以利用构建三角网实现，同时可以选择编辑灵活、功能强大、操作方便且应用广泛的软件进行操作。本文从激光点云数据采集方面、复杂曲面实体方面以及建筑建模方面的教学方法出发，为实验教学内容以及实验时存在问题提供参考實例[1]。
一、激光点云数据采集的相关实验
地面三维扫描仪在外形、操作和原理上都和水准仪、全站仪、经纬仪等传统测绘仪器有比较明显的差异，由于该仪器的起源是传统测绘仪器，在学生进行试验之前，教师需要向他们讲解地面三维扫描仪的数据采集模式、工作原理以及区别传统测绘仪的不同点，同时向学生讲解地面激光扫描仪的单反相机安置方式、对中整平方法、架站方式以及电池电缆的安装方法等基础组装方法，设置激光点云密度得方法、选择扫描仪高速扫描和长距的方法、拍摄照片的重叠度以及相机曝光模式的选择方法;向学生讲解实验过程中需要注意得事项，例如三脚架不能碰触、不能遮挡相机视交和扫描仪、不能用眼睛长时间注视发射的激光以及强反射的布设方法等;完成激光扫描后，教师需要演示拍摄的影像数据和激光云点的下载与存储，以及导入扫描仪后处理软件的方法。由于地面扫描仪得价格非常高，因此会直接影响到实验室对该仪器的购置数量，导致无法满足一个班的需求，通常情况下，是由教师在实验课堂上演示操作，把学生分成实验小组，以小组形式分批次地如向教师借机关扫描仪，并且利用课余时间进行操作训练[2]。
在对地物进行采集时通常还需要采集相关的多站点云数据，之后将多站激光点云进行配准操作使其成为一个整体且全面的实体数据，想要完成这一过程就需要完成2步操作，即激光点云的粗配准以及精配准。接下来本文将以Riegl Riscan软件为例，对4站激光点云进行说明。在对点云数据进行粗配准的操作过程中，需将第一扫描站作为基准站点，利用Riscan Pro软件在相邻的两站之间将4对强反射标志的圆心位置找出，并将其作为同名特征点对进行粗配准操作。在经过旋转和平移两步操作后，需要将另外一站的激光点云数据与第一站的激光点云数据进行配准，同理即可将三、四站的激光点云数据与二、三站的激光点云数据进行配准，该过程为对激光点云数据进行粗配准工作。通过利用迭代最邻近算法，将最邻近的同名点在站点所对应的点云中进行搜索，再计算刚体变换的平移以及旋转参数时以最邻近的邻近点进行求解，这一操作过程依然是将第一站设置为基准站，将其位置保持不变、角度进行固定[3]。这时需要将其他三站的激光点云进行旋转和平移，再通过将最邻近的邻近点对不断的进行变换参数的迭代计算以及搜索，最终即可完成对点云进行精配准的工作。不仅如此，还需要控制各点云的精配准过程中的相对误差，将其控制在毫米精度范围内即可。
二、复杂曲面进行激光点云的实体建模实验
由于不同的扫描对象其三维建模方法也有所不同，因此可以采用Geomagic Wrap软件对相对复杂的曲面实体进行三角网建模。由于在采用激光进行全景扫描的过程中，通常都会扫入大量无关紧要的地物，因此需要将导入的全部点云进行裁剪，以此来得到大石头的点云，且需要对点云进行相应的着色来增强点云的显示效果。教师可以将操作指导书或者相关实验的视频上传到共享的网络课程资源平台，由学生们在课下先进行预习，学生在预习过程中有一定的了解之后，教师再通过课上来为学生演示建模的整体过程[4]。
三、三维建筑建模的激光点云建模实验
在对规则的建筑实体进行建模时，采用较为传统的规划软件以及建筑类的设计软件更为合适，本文的建模实验采用Microstation软件，该软件易于上手且操作简单，比较适合练习使用，而且具有激光点云导入以及二三维的设计功能[5]。首先，教师需要设计约十个学时的时间为教授学生运用该软件如何进行辅助坐标系、二维对象绘图、三维模型、三维位置精确绘图、三维对象精确绘图等高级的编辑功能，在学生基本掌握了使用该软件进行编辑、基本绘图以及三维建模功能之后，再利用约四个学时的时间为学生讲解如何利用激光点云进行三维建模。这一过程需要将如何利用激光点云来进行建模的方式为学生们讲解，其中教授重点包括三维模型纹理的映射、激光点云如何对特征点进行捕捉、在点云绘图中如何应用辅助坐标系、渲染设置、光照设置、如何用激光点云回执建筑物的轮廓等操作过程。教师可以通过为学生演示几个三维模型的绘制过程将学生们的传统二维绘图视野逐渐转换到三维的世界。这些实验只有在学生拥有充足时间去消化并理解其操作原理与过程后才可以达到预期的教育效果。
结语：
作为一种绘图的新技术，地面三维扫描仪已经在测绘领域发挥了极大的作用，在我国高等学校中开展这一课程教学活动，为学生们介绍了该激光扫描仪如何对数据进行采集，阐述了复杂实体曲面如何基于激光点云进行建模的具体实施方案，介绍了三维建筑物如何基于激光点云进行建模。其不仅丰富了我国高校关于激光扫描相关课程的实验教学内容，更有效提高了高校整体的实验教学水平，同时也增强了测绘相关专业的高校生的实践操作技能，希望本文可以为三维扫描相关课程的教学提供一定的参考价值。
参考文献
[1]李峰，孙广通，钱安，等.三维激光扫描课程的三维建模实验教学方法研究[J].山东工业技术，2018，（17）：247，237.
[2]李晓峰，薛小荣，梁兰花.基于Unity3D的矢量网络分析仪虚拟实验系统的设计与实现[J].实验技术与管理，2019，36（4）：134-137.
[3]郭翔翔，马爱兵，汤梓薇.基于3D打印技术与逆向工程建模的实验教学[J].内燃机与配件，2019，（5）：239-241.
[4]余波.基于BIM的框架结构三维虚拟建模实验设计[J].建筑工程技术与设计，2017，（35）：313.
[5]唐玉勃.用悬高测量法进行拱轴线检测[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2012，14（04）：18-20.
