基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究

張會霞,陳宜金,劉國波

(中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院,北京 100083)

基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究

張會霞,陳宜金,劉國波

(中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院,北京 100083)

三維激光掃描儀可以連續(xù)、自動、快速獲取目標物表面的采樣點數(shù)據(jù)。論述三維激光掃描儀工作原理、數(shù)據(jù)處理流程。以校園建筑物為例,給出三維數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、模型建立的基本方法和結果。探討采用點云數(shù)據(jù)進行數(shù)字校園的方法。

三維激光掃描;建筑物;建模

三維激光掃描測量技術是繼 GPS之后的又一項測繪新技術,已成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術手段。特別是機載激光掃描系統(tǒng)發(fā)展很快,已經(jīng)用于快速獲取大面積的三維地形數(shù)據(jù)[1]?；诘孛娴娜S激光掃描系統(tǒng)目前正引起廣泛的關注,是三維激光掃描發(fā)展的一個重要方向,并在數(shù)字化文物保護、工業(yè)測量、數(shù)字城市、地形可視化、智能交通、土木工程等領域有著廣泛的用途。

傳統(tǒng)的測量方式是單點采集數(shù)據(jù),獲取的是單點數(shù)據(jù),而三維激光掃描測量技術不需要合作目標,可以自動、連續(xù)、快速地獲取目標物表面的密集采樣點數(shù)據(jù),即點云數(shù)據(jù)。獲取的信息量也從點的空間位置信息擴展到目標物的紋理信息和顏色信息,并且擁有許多自己獨特的優(yōu)勢,例如:①數(shù)據(jù)獲取速度快、實時性強;②數(shù)據(jù)量大,精度較高;③主動性強,能全天候工作;④全數(shù)字特征,信息傳輸、加工、表達容易[2]。

本文采用Leica的 HDS6000三維激光掃描儀(見圖1),結合三維激光掃描儀的基本工作原理,探討從數(shù)據(jù)獲取到建模的整個流程。通過對校園建筑物的掃描、數(shù)據(jù)處理,建立校園建筑物三維模型,探討采用三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù),從而進行數(shù)字校園的研究。

圖1 Leica的 HDS6000三維激光掃描儀

1 三維激光掃描原理

1.1 三維激光掃描測量系統(tǒng)工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件、電源以及附屬設備構成。地面的三維激光掃描儀類型較多,有Leica的 HDS系列,奧地利Riegl公司出品的LM S-Z420i,Trimble公司生產(chǎn)的M ensi GS200三維激光掃描儀等,不同制造商的掃描儀生產(chǎn)數(shù)據(jù)的質量(例如:分辨率、精度、掃描速度、激光射束發(fā)散性)可能不同,但三維激光掃描儀的根本原理本質上都是相同的[3]。三維激光掃描儀的構造主要包括:一臺高速精確的激光測距儀、一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡,部分儀器具有內置的數(shù)碼相機,可以直接獲得目標物的影像。通過傳動裝置的掃描運動,完成對物體的全方位掃描,然后進行數(shù)據(jù)整理,通過一系列處理獲取目標表面的點云數(shù)據(jù)。

激光測距儀主要由激光發(fā)射器、接受器、時間計數(shù)器、微電腦組成。激光測距主要應用兩種測量原理:脈沖測時測距和激光相位差測距。脈沖式測距主要包括以下4個過程,激光發(fā)射器周期地驅動激光二極管發(fā)射激光脈沖,同時接受由目標表面后向反射信號,利用穩(wěn)定的石英鐘對發(fā)射與接收時間差作計數(shù),利用微電腦計算儀器和掃描點間的距離值。相位式測距則是通過測定激光在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲而間接測定傳播時間,從而求得待測距離。與脈沖式測距相比相位式測距速度更快。

三維激光掃描儀的原始觀測數(shù)據(jù)主要包括:①根據(jù)兩個連續(xù)轉動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值。②根據(jù)激光傳播的時間計算得儀器到掃描點的距離,根據(jù)這個距離,再配合激光束的水平方向角和垂直方向角,可以得到每一掃描點相對于儀器的空間相對坐標,如圖2所示。③掃描點的反射強度等。根據(jù)前兩種數(shù)據(jù)計算掃描點的三維坐標,掃描點的反射強度則用來給反射點匹配顏色。點的表示形式為(x,y,z,reflectivity)[4],不僅包含點的空間位置還包含點的反射強度。

圖2 地面三維激光掃描系統(tǒng)的定位原理

三維激光掃描儀的工作過程,實際上就是一個不斷數(shù)據(jù)采集和處理過程,它通過具有一定分辨率的空間點坐標(x,y,z),其坐標系是一個與掃描儀設置位置和掃描儀姿態(tài)有關的儀器坐標系所組成的點云圖來表達系統(tǒng)對目標物體表面的采樣結果[5]。

1.2 三維激光掃描測量系統(tǒng)坐標系的定位原理

地面三維激光掃描測量系統(tǒng)對物體進行掃描后采集到的空間位置信息是以特定的坐標系統(tǒng)為基準的,這種特殊的坐標系稱為儀器坐標系,不同儀器采用的坐標軸方向不盡相同,通常其定義為:坐標原點位于激光束發(fā)射處,Z軸位于儀器的豎向掃描面內,向上為正;X軸位于儀器的橫向掃描面內與Z軸垂直,且垂直于物體所在方向;Y軸位于儀器的橫向掃描面內與X軸垂直,且與 X軸、Y軸一起構成右手坐標系,同時 Y軸正方向指向物體[6]。

三維激光掃描點的坐標(x,y,z)計算公式為

式中:θ為激光束的豎直方向角,α為激光束的水平方向角,S為儀器到掃描點的斜距。

2 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理

要建立一個目標物的數(shù)字模型,必須經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理操作,三維激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為兩個步驟:掃描數(shù)據(jù)的預處理和最終產(chǎn)品[7],常用的數(shù)據(jù)工作流程如圖3所示。

圖3 3D激光掃描儀數(shù)據(jù)工作流程

數(shù)據(jù)預處理指的是直接在點云上的操作,主要包括坐標糾正、數(shù)據(jù)濾波、地理參考、數(shù)據(jù)分割、曲面擬合和格網(wǎng)建立等。坐標糾正就是在掃描區(qū)域中設置控制點或標靶點,使得相鄰區(qū)域的掃描點云圖上有3個以上的同名控制點或控制標靶。通過控制點的強制附合,將相鄰的掃描點云圖統(tǒng)一到同一個坐標系下;數(shù)據(jù)濾波主要是減少數(shù)據(jù)的噪聲點;地理參考主要是把儀器坐標系下的點云數(shù)據(jù)轉化到當?shù)鼗蛉蜃鴺讼到y(tǒng)下;數(shù)據(jù)分割是將點云數(shù)據(jù)劃分到不同的點云子集中,每個點云子集代表同一種曲面形式;曲面擬合是運用數(shù)學方法確定點云子集所屬表面類型的數(shù)學形式[8];格網(wǎng)建立主要是點云數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)的建立,為建立模型做準備。最終的產(chǎn)品形式主要有3D模型、正射影像等;在3D模型上可以提取等高線、剖面圖等。

3 應用實例

本實例為中國礦業(yè)大學(北京)學十樓及科技會堂的掃描建模,采用Leica的 HDS6000三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件Cyclone 5.8采集數(shù)據(jù),HDS6000的主要技術指標:采用相位式測距法,掃描速度50萬個點/s,最大掃描距離50 m。

1)掃描前的準備工作:對掃描目標物進行現(xiàn)場堪踏,確定掃描路線,掃描的測站數(shù)、測站位置,標靶數(shù)、標靶位置。學十樓及科技會堂由于規(guī)模較大,形狀復雜且周圍空間狹窄,HDS6000的掃描距離較短,共掃描13站:前面4站,后面5站,左右各2站,由于標靶較少,主要采用紙標靶,貼于建筑物的墻上。

2)掃描:采用 HDS6000三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件Cyclone 5.8在電腦的控制下進行掃描。在每一測站設置采樣間隔、距離等參數(shù),掃描目標物、標靶,獲得目標物和標靶的采樣點點云圖。掃描學十樓及科技會堂采用的掃描距離為20 m,采樣分辨率為高,采樣間隔為13 mm×13 mm。圖4為學十樓及科技會堂一側的點云,其中字母 A 1、A 2、B1、B2、B3等為標靶的標識,細線所指的點為標靶的中心位置。

圖4 學十樓及科技會堂一側的點云圖

3)測量標靶的坐標:采用全站儀測得標靶坐標,用于把儀器坐標系下的點云數(shù)據(jù)糾正到測量坐標系下,已知后視點以及當前測站點的坐標,可以獲得作為前視點標靶的坐標,數(shù)據(jù)格式是 X、Y、Z形式,本次共測得6個標靶的測量坐標,如表1所示。

表1 標靶的測量坐標 m

4)坐標糾正:坐標糾正有兩種方法,即采用標靶糾正和采用點云糾正。前一種適用的條件是相鄰兩個測站之間至少有3個公共標靶點,利用公共標靶作為約束條件進行拼接。后一種方式是兩測站之間公共標靶數(shù)少于3個或無標靶,采用同名點進行拼接,這種方式誤差較大。要轉為實測坐標,還需導入3個以上標靶的測量坐標,把儀器坐標系下的標靶坐標糾正成測量坐標,這樣所有的點云數(shù)據(jù)轉換為公用坐標系下的坐標。本次掃描由于標靶不夠,采用點云進行糾正,糾正后的點云圖如圖5所示。

圖5 糾正后的學十樓及科技會堂外表面點云圖

5)數(shù)據(jù)濾波:掃描時建筑物前面存在樹木、路燈、行人、車輛等遮擋物就會在點云數(shù)據(jù)表面形成空洞,通過對點云的分割和濾波,除去各測站點云圖的噪聲點,包括非目標物采樣點,如樹木、行人等,提取出目標物,如圖5所示。

6)三維模型建立:采用三維激光掃描儀掃描目標物,其中最終產(chǎn)品之一是建立目標物的三維模型,并可在模型上提取斷面圖,進行量測、網(wǎng)上發(fā)布等一系列操作。本實例模型的建立是采用 HDS三維激光掃描儀系統(tǒng)軟件Cyclone6.0建成,在Modelspace模塊下完成,主要由幾個步驟完成:①定義坐標系;②建立參考面;③繪圖;④生成面;⑤挖去窗戶部分;⑥增長厚度。建成的模型如圖6所示。

圖6 學十樓及科技會堂建筑物外表面模型

4 結束語

本文主要研究了使用三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù)的一些基本問題。通過數(shù)據(jù)處理建立建筑物三維模型,并對三維激光掃描原理、坐標糾正、模型建立進行了詳細的闡述;最后通過對校園建筑物模型的建立,探討在數(shù)字校園工作中采用三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù),建立建筑物模型的可行性,并通過試驗,表明該方法是可行的。下一步的研究試圖把模型糾正到大地坐標系中,并與二維校園平面圖疊合在一起,為校園空間信息的網(wǎng)絡發(fā)布,虛擬校園建設提供基礎信息。

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Campus building modelling based on 3D laser scann ing

ZHANG Hui-xia,CHEN Yin-jin,L IU Guo-bo
(School of Resource and Safety Engineering,CUM TB,Beijing 100083,China)

3D laser scanner can be used to get the samp le data of the target surface continuously and quickly.In this paper,3D laser scanner working p rincip le,data p rocessing are discussed in detail.Taking the campus building as an examp le the author deals w ith the basic methods and resultsof the 3D data acquisition,data p rocessing and modelling.How to digitize the campus using the points cloud data is discussed.Key words:3D Laser scanning;building;modelling

TU 1

A

1006-7949(2010)01-0032-03

2008-12-26

張會霞(1972-),女,工程師,博士研究生.

[責任編輯劉文霞]