三維激光掃描在建筑物模型構(gòu)建中的應(yīng)用分析

■張琴琴

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院 廣東佛山528214）

三維激光掃描在建筑物模型構(gòu)建中的應(yīng)用分析

■張琴琴

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院 廣東佛山528214）

伴隨科技水平的不斷提高，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，極大了豐富了現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，為測(cè)繪行業(yè)發(fā)展帶來新的曙光。由于三維激光掃描技術(shù)具有較多的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，比如說無接觸測(cè)量、精準(zhǔn)度高、測(cè)量快速等，在行業(yè)間的運(yùn)用越來越廣泛。本文主要以建筑物建模型構(gòu)建為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)單概述，具體探討三維掃描技術(shù)在建筑物模型構(gòu)建中的具體應(yīng)用。

建筑物模型三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)體模型三角網(wǎng)模型

隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷提高，測(cè)繪技術(shù)不斷推陳出新，三維激光掃描技術(shù)作為該領(lǐng)域的重大突破，在很多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。由于三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)各種建筑實(shí)體進(jìn)行三維數(shù)據(jù)獲取，在建筑物模型構(gòu)建中應(yīng)用甚為普遍。較傳統(tǒng)建筑測(cè)量技術(shù)而言，該技術(shù)不僅測(cè)量速度快、精準(zhǔn)度高，同時(shí)克服了建筑物長(zhǎng)寬高測(cè)量局限，能夠及時(shí)獲得建筑為三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了建筑物三維模型的快速構(gòu)建，對(duì)建筑行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1　三維激光掃描原理分析

三維激光掃描技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，主要是借助三維激光掃描儀，由于該儀器具有激光測(cè)距儀、數(shù)碼相機(jī)、反射棱鏡、傳動(dòng)裝置等構(gòu)造，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位掃描，并獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)字化再現(xiàn)。

在進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)觀測(cè)，主要是通過如下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的：首先，激光脈沖信號(hào)由三維激光掃描儀發(fā)射，此時(shí)儀器內(nèi)傳動(dòng)裝置會(huì)驅(qū)動(dòng)反射棱鏡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，控制激光脈沖信號(hào)的發(fā)射角度，從而使信息射向掃描點(diǎn)。在此過程中根據(jù)反射棱鏡的角度值能夠確定，分別設(shè)為α和θ，從而獲得激光脈沖信號(hào)在水平和垂直方向上的數(shù)值。其次，由于建筑物表面的漫反射，激光脈沖信號(hào)會(huì)返回發(fā)射點(diǎn)，根據(jù)脈沖的往返時(shí)間可以確定掃描點(diǎn)的觀測(cè)距離，此處設(shè)為S。最后，根據(jù)以上兩點(diǎn)可以獲得掃描點(diǎn)的坐標(biāo)，同時(shí)根據(jù)掃描點(diǎn)點(diǎn)的反射強(qiáng)度差異，對(duì)反射點(diǎn)進(jìn)行顏色配比。經(jīng)過全方位掃描后，能夠快速獲得建筑物的點(diǎn)云圖。若采用內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，三維激光掃描的點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式如下[1]：

圖1　三維激光掃描測(cè)量原理圖

2　三維激光掃描運(yùn)用于建筑物模型構(gòu)建中的重要性

2.1為建筑維修施工提供依據(jù)

三維激光掃描技術(shù)精準(zhǔn)度非常高，將其運(yùn)用于建筑物模型構(gòu)建中，能過對(duì)建筑變形進(jìn)行分析，從而獲得準(zhǔn)確的建筑變形數(shù)據(jù)，將變形數(shù)據(jù)與原模型進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確掌握建筑物變形情況，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行建筑維修。

2.2促進(jìn)了數(shù)字城市建設(shè)

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，不僅是測(cè)繪技術(shù)的突破創(chuàng)新，更為城市建筑模型構(gòu)建提供了全新方法，實(shí)現(xiàn)了建筑單點(diǎn)測(cè)量向多點(diǎn)測(cè)量的轉(zhuǎn)變。該技術(shù)在建筑模型構(gòu)建中的運(yùn)用，在豐富了建模方法的同時(shí)，作為現(xiàn)代技術(shù)手段促進(jìn)了數(shù)字城市的進(jìn)一步建設(shè)。

2.3有利于古建筑的檔案留存

我國(guó)歷史悠久，存留下來的古代建筑較多，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)古建筑的檔案留存，需要對(duì)建筑進(jìn)行測(cè)量，并構(gòu)建建筑模型繪制建筑物圖形信息。若采用傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，需要對(duì)借助大量人力物力，在建筑物周圍搭建腳手架等，通過竹竿、皮尺等工具，得到古建筑的測(cè)量信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工繪圖等。該方法不僅對(duì)古建筑的損害較大，同時(shí)很多建筑結(jié)構(gòu)信息不能詳細(xì)獲得，而采用三維激光掃描技術(shù)，能夠在不接觸建筑物的情況下，獲得全方位的建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)軟件中形成建筑物結(jié)構(gòu)圖形，對(duì)于古建筑的檔案留存貢獻(xiàn)巨大[2]。

3　三維激光掃描技術(shù)在建筑物模型構(gòu)建中的具體應(yīng)用

3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

要想構(gòu)建建筑模型，點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取是第一步，由于受到掃描場(chǎng)景、儀器視場(chǎng)角等條件限制，難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一次完整獲得，基于此，應(yīng)根據(jù)建筑物的場(chǎng)景因素，從多角度進(jìn)行三維激光掃描。首先，確定建筑物的位置坐標(biāo)，通過布設(shè)控制網(wǎng)對(duì)測(cè)站點(diǎn)和標(biāo)靶等進(jìn)行大地坐標(biāo)測(cè)量，明確建筑的大地位置。其次，根據(jù)建筑物的特征情況，比如說建筑的不規(guī)則程度、具體占地面積等要素，制定不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方案，確定測(cè)站點(diǎn)的數(shù)量和實(shí)際的位置等。最后，使用三維激光掃描儀器進(jìn)行掃描時(shí)，為獲取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，儀器應(yīng)架設(shè)在視野開闊的地方，確保無遮擋物體或者遮擋物較少。

3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵，也是三維激光掃描技術(shù)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。所謂點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，即采用相關(guān)的濾波算法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取中收集到的遮擋物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，或者將部分不必要的物體離散點(diǎn)過濾掉。比如說，在對(duì)建筑物進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，受到樹木、行人等影響，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中將包含以上物體的數(shù)據(jù)或離散點(diǎn)，將物體的數(shù)據(jù)或離散點(diǎn)過濾的過程就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理過程。

當(dāng)前，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的方式較多，但是受到技術(shù)水平限制，每種方法都尤其適用范圍的限制，在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，應(yīng)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的具體情況進(jìn)行分析，結(jié)合建筑物特有的結(jié)構(gòu)特性，采用不同的預(yù)處理方法進(jìn)行。將三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于建筑物模型構(gòu)建，由于建筑物具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，往往多采用半自動(dòng)濾波的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，該過程為先確定建筑物的點(diǎn)云范圍，再根據(jù)閥值設(shè)定將建筑物周圍噪聲和點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除，最后將無法自動(dòng)過濾的噪聲人工剔除[3]。

3.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是獲得完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重要方式，是將多組點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下的方式。隨著科技水平的日益進(jìn)步，點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式日漸完善，主要分為兩種配準(zhǔn)方法，現(xiàn)對(duì)這兩種方法進(jìn)行具體分析。

第一，最近點(diǎn)迭代配準(zhǔn)。該種配準(zhǔn)方式需要將一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)給定，通過在這組數(shù)據(jù)中進(jìn)行搜索，確定到另一組點(diǎn)云距離最近的點(diǎn)，并計(jì)算該最近距離，將兩組點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，在轉(zhuǎn)換過程中需要對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行求解，主要就是通過反復(fù)迭代的方式進(jìn)行，所以該種方式運(yùn)算量較大，若點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大時(shí)，不僅迭代計(jì)算工作量大，同時(shí)也將無法準(zhǔn)確保證計(jì)算精準(zhǔn)度。

第二，基于控制點(diǎn)配準(zhǔn)。該種方法主要將控制點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換的重要參數(shù)，該處控制點(diǎn)又稱為標(biāo)靶，在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取時(shí)往往會(huì)首先確定標(biāo)靶，然后進(jìn)行三維激光掃描，根據(jù)各標(biāo)靶之間的坐標(biāo)信息，建立統(tǒng)一的點(diǎn)云坐標(biāo)。由于各控制點(diǎn)坐標(biāo)都有對(duì)應(yīng)的大地坐標(biāo)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，一般用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)較大的情況下。

對(duì)建筑物進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，由于得到的點(diǎn)云較多，且魅族數(shù)據(jù)也具有較多的點(diǎn)坐標(biāo)，因此采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物模型構(gòu)建時(shí)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)主要采用基于控制點(diǎn)配準(zhǔn)方法。但是，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)由多組點(diǎn)云拼接而成，往往其中會(huì)存在數(shù)據(jù)冗余、重疊等情況，因此在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行密度限定，若點(diǎn)云數(shù)據(jù)過稀，可能會(huì)缺失模型細(xì)節(jié)，應(yīng)對(duì)距離閥值進(jìn)一步調(diào)整；若點(diǎn)云數(shù)據(jù)過密，可能是數(shù)據(jù)出現(xiàn)重疊，應(yīng)重新采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)具有較多的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在建筑物模型構(gòu)建中發(fā)揮了重要的作用，不僅為建筑維修施工提供依據(jù)，還有利于古建筑的檔案留存，促進(jìn)了數(shù)字城市建設(shè)等。但是三維激光掃描技術(shù)仍存在一定的缺陷，需要在今后加強(qiáng)該技術(shù)的研究，促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展完善。

[1]劉偉,王愛軍.三維激光掃描技術(shù)在建筑物建模測(cè)量中的應(yīng)用 [J].山西科技, 2012,05:95-96+99.

[2]黃承亮,向娟.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測(cè)量方法研究 [J].城市勘測(cè), 2011,01:87-90.

[3]馬敏杰,楊洋,范愛平,楊容浩.復(fù)雜建筑物三維激光掃描與室內(nèi)外精細(xì)建模 [J].測(cè)繪與空間地理信息,2015,01:111-113.

[4]朱慶偉,馬宇佼.基于三維激光掃描儀的建筑物建模應(yīng)用研究 [J].地理與地理信息科學(xué),2014,06:31-35.

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-220-1