建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用分析

摘要：目前，激光掃描技術(shù)獲得了新的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。文章首先介紹了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理，而后對(duì)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模過(guò)程進(jìn)行了介紹，最后對(duì)建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討，這對(duì)于提升建筑工程的測(cè)量質(zhì)量意義重大。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；應(yīng)用原理；數(shù)據(jù)處理；建筑物測(cè)量；數(shù)據(jù)建模 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP274 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0172-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.083

近年來(lái)，在各種技術(shù)的支撐之下，激光掃描技術(shù)也獲得了新的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)鮮明，能夠進(jìn)行各種復(fù)雜物體的掃描，并能夠克服各種復(fù)雜環(huán)境的限制。由于其典型的優(yōu)勢(shì)特征，目前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于工程測(cè)量、地圖測(cè)井、加工檢測(cè)等多種測(cè)量工作中。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)ㄖ锏娜S信息進(jìn)行快速掃描，并構(gòu)建出合理的三維建筑模型，這為后續(xù)建模過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理提供了豐富的資源。下面，筆者將對(duì)建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行深入分析。

1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理介紹

三維激光掃描技術(shù)是新近才發(fā)展起來(lái)的，具有諸多優(yōu)勢(shì)，必然會(huì)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。三維建模方法通常有兩種：第一，基于圖像的方法；第二，基于幾何的方法。前者是通過(guò)照片或者圖片來(lái)建立模型的，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都來(lái)源于數(shù)碼相機(jī)；而基于幾何的方法則是通過(guò)激光掃描儀掃描所獲得的數(shù)據(jù)來(lái)建立合理的三維模型，是利用幾何信息進(jìn)行建模的。三維激光掃描儀的類型多樣，依據(jù)不同的掃描平臺(tái)劃分，有地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)以及機(jī)載激光掃描系統(tǒng)之分。而按照距離來(lái)分，三維激光掃描儀可以分為：長(zhǎng)距離激光掃描儀，掃描距離在30米以上，該類儀器主要用于建筑物、礦山、大壩等的測(cè)量過(guò)程；中距離激光掃描儀的最長(zhǎng)掃描距離小于30米，多用于室內(nèi)空間及大型模具的測(cè)量過(guò)程；短距離激光掃描儀，最長(zhǎng)的掃描距離不會(huì)超過(guò)3米，而最佳的掃描距離在1.2米左右，多用于小型模具的測(cè)量，掃描的速度快且精度高。航空激光掃描儀的最長(zhǎng)掃描距離大都在1000米以上，需要配備精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，適用于大范圍地形的掃描測(cè)量工作。

三維激光掃描技術(shù)的主要作用對(duì)象是高速三維掃描儀，該設(shè)備充分運(yùn)用激光掃描技術(shù)便可以在短短幾分鐘之內(nèi)產(chǎn)生詳細(xì)的三維圖像。由于擁有觸摸操作屏，激光掃描儀能夠靈活地進(jìn)行掃描，獲得完善的掃描參數(shù)。從構(gòu)造方面來(lái)說(shuō)，三維激光掃描儀中配有一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀、可以均勻角度掃描的發(fā)射棱鏡和數(shù)碼相機(jī)，能夠直接獲得物體的整體影像，并完成對(duì)物體的全方位掃描。掃描完成之后，設(shè)備會(huì)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從原始數(shù)據(jù)方面來(lái)說(shuō)，三維激光掃描儀可以掃描到三類數(shù)據(jù)：掃描儀通過(guò)變動(dòng)鏡子的角度反射不同的脈沖激光；根據(jù)三維激光掃描儀器激光傳播時(shí)間的不同，設(shè)定具體的位置，之后利用激光束的垂直及水平方向角得到儀器相對(duì)于掃描電的空間坐標(biāo)。當(dāng)然，這個(gè)坐標(biāo)信息也是相對(duì)的。由于三維激光掃描的反射強(qiáng)度不同得到的數(shù)據(jù)不同。工作人員可以利用三維激光掃描儀的掃描點(diǎn)不同的反射強(qiáng)度匹配不同的色彩，并以此計(jì)算出某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并用（x，y，z，反射強(qiáng)度）來(lái)表示。由上述三類數(shù)據(jù)可以看出，三維激光掃描儀技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程也就是數(shù)據(jù)信息與處理的過(guò)程，并形成空間坐標(biāo)明確掃描物體與掃描點(diǎn)的具體方向關(guān)系?？傊?，要保證掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，就要選擇相應(yīng)類型的掃描儀，并保證該儀器在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用；要明確掃描對(duì)象的典型特征，明確需要通過(guò)掃描獲得的數(shù)據(jù)信息，從而合理應(yīng)用激光掃描儀。

2 建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理

正如上文所提到的，三維激光掃描技術(shù)的處理過(guò)程實(shí)際上是數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，目標(biāo)位的數(shù)字模型也就建立起來(lái)。三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理工作主要通過(guò)兩個(gè)步驟進(jìn)行：掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品。下面筆者將對(duì)三維激光掃描儀的掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品形成這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入介紹：

掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作內(nèi)容相對(duì)寬泛，包括地理參考、坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)分割以及數(shù)據(jù)濾波等多個(gè)方面，也是直接在點(diǎn)云層面上進(jìn)行操作。第一，地理參考的過(guò)程就是將三維激光掃描儀坐標(biāo)下的云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到不同的點(diǎn)云子集中，從而形成不同的曲面形式；第二，坐標(biāo)糾正就是在三維激光掃描技術(shù)的掃描區(qū)域內(nèi)設(shè)置不同的控制點(diǎn)，而同一區(qū)域內(nèi)會(huì)包含多個(gè)同名的控制點(diǎn)。這些同名控制點(diǎn)就可以將不同的位置掃描到同一個(gè)坐標(biāo)下；第三，數(shù)據(jù)濾波是濾出數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，保持?jǐn)?shù)據(jù)的“純

凈度”。

就目前來(lái)說(shuō)，要發(fā)揮三維激光掃描儀的功能，就要合理充分應(yīng)用各個(gè)控制軟件，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)?？刂栖浖闹饕饔檬菐椭鷴呙鑳x采集數(shù)據(jù)，并及時(shí)地給予相應(yīng)處理，而各種處理技術(shù)則是由第三方廠商提供，主要是進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。得到數(shù)據(jù)之后，就要進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是其中最重要的部分。點(diǎn)云處理主要包括四個(gè)步驟：去除噪聲；多視對(duì)齊；精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)；重構(gòu)曲面。第一，去除噪聲就是指去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中掃描對(duì)象之外的數(shù)據(jù)，包括某些環(huán)境因素，如移動(dòng)車輛等；第二，多視對(duì)齊，就是指從不同的位置和多個(gè)視角對(duì)建筑物進(jìn)行多彩掃描，要在物體表面布設(shè)同名控制點(diǎn)，保證點(diǎn)云對(duì)齊的過(guò)程；第三，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)是在不影響曲面重構(gòu)和精度的情況下精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)距離精簡(jiǎn)，也可以平均精簡(jiǎn)；第四，曲面重構(gòu)就是將掃描儀獲得的數(shù)據(jù)信息用曲面表現(xiàn)出來(lái)，從而將掃描對(duì)象的真實(shí)情況盡可能還原，如三角形網(wǎng)格、參數(shù)曲面等。通過(guò)以上步驟，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理基本完成。綜上所述，數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵部分，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后才能形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3.1 控制網(wǎng)的布設(shè)

三維激光掃描技術(shù)在建筑物建模測(cè)量中的應(yīng)用中最關(guān)鍵的內(nèi)容就是布設(shè)觀測(cè)控制網(wǎng)。要嚴(yán)格按照三維激光掃描儀的掃描要求，選擇合理的控制網(wǎng)布設(shè)方法，合理布設(shè)各個(gè)控制網(wǎng)的位置：第一，從精度上來(lái)說(shuō)，控制網(wǎng)的精度不得低于建筑物建模的精度；第二，從網(wǎng)型上來(lái)說(shuō)，控制網(wǎng)的形狀必須合理，從而保證掃描儀能獲得完整的數(shù)據(jù)信息；第三，從相鄰控制點(diǎn)的架設(shè)要求方面來(lái)說(shuō)，要保證控制點(diǎn)的通視良好，保證掃描過(guò)程順利進(jìn)行；第四，從距離方面來(lái)說(shuō)，控制點(diǎn)與被測(cè)物體之間應(yīng)保持50米之內(nèi)的距離，從而保證檢測(cè)精度。總之，在控制網(wǎng)布設(shè)的過(guò)程中，要努力遵循以上原則。而根據(jù)建筑物形狀的不同，我們可以采用不同的控制網(wǎng)布設(shè)方案，目前來(lái)說(shuō)，方案共有兩種：第一，四面控制網(wǎng)布設(shè)法。該種方法適用于建筑物的長(zhǎng)寬較大的情況，可以很好地對(duì)整面墻體進(jìn)行掃描。工作人員可以在建筑物的四個(gè)角上設(shè)置控制點(diǎn)，使得兩面墻體都能夠被掃描到。多個(gè)角度掃描，同一個(gè)墻體就會(huì)被掃描多次，點(diǎn)云密度增加。這樣一來(lái)，建筑物建模的精確度也會(huì)大大提高[如圖1（a）]；第二，當(dāng)建筑物的長(zhǎng)寬相對(duì)較小時(shí)，就可以采用圖1（b）布設(shè)方案。該種布設(shè)方案的掃描效果更為理想，并且能夠大大節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，提高工作效率。

被測(cè)物體的夾角與掃描點(diǎn)精度之間存在密切關(guān)系，這也是長(zhǎng)期工作實(shí)踐的結(jié)果。如果夾角越小，精度越高。而通過(guò)上述兩種方案，我們可以知道，定向邊與被測(cè)墻體的夾角基本上都在45度之內(nèi)，掃描點(diǎn)的精度還是相當(dāng)高的。完成控網(wǎng)布設(shè)之后，工作人員可以采用較高精度的全站儀來(lái)測(cè)量建筑物的坐標(biāo)，從而獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。如果控制點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，就要在兩個(gè)控制點(diǎn)之間增加一個(gè)控制點(diǎn)，使得測(cè)量的精確度進(jìn)一步提高。

3.2 三維激光掃描的觀測(cè)方法

要保證三維激光掃描儀的掃描效果，工作人員要做好以下四個(gè)方面的工作：第一，先選定一個(gè)控制點(diǎn)，然后在這個(gè)控制點(diǎn)上架設(shè)激光掃描儀。掃描儀要確保對(duì)中整平，并用各種數(shù)據(jù)線連接起來(lái)；第二，要將相鄰控制點(diǎn)的距離設(shè)定在100米之內(nèi)，50米左右最為合理，并保證標(biāo)靶整平對(duì)齊；第三，要開(kāi)啟激光掃描儀的控制性軟件，然后對(duì)準(zhǔn)標(biāo)靶進(jìn)行認(rèn)真掃描，掃描完成獲得定向邊的相關(guān)三維數(shù)據(jù)；之后，再次進(jìn)行掃描，明確建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；要重復(fù)掃描，確保數(shù)據(jù)精確合理；第四，要檢查建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否齊全，明確是否存在遺漏或者掃描效果不好的區(qū)域。如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，必須進(jìn)行再次掃描，從而確保數(shù)據(jù)安全可靠。在數(shù)據(jù)采集結(jié)束之后，就要將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。要保證采集到的數(shù)據(jù)合理，就要合理設(shè)置三維激光掃描儀的相應(yīng)參數(shù)，避免影響掃描結(jié)果?？傊?，在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，工作人員要注意協(xié)調(diào)各方面的因素，數(shù)據(jù)掃描、分析以及建模工作等。

總之，建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，需要進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)、需要采用合理的觀測(cè)方法。工作人員要從建筑物的實(shí)際情況出發(fā)，合理應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，確保掃描的精確度。

4 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)可以快速掃描被測(cè)物體，不需要反射棱鏡便可以獲得高精度的掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)，在我國(guó)城市規(guī)劃、土木工程、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用較多。同時(shí)，三維激光掃描儀在復(fù)雜地形地貌的建筑物建模方面優(yōu)勢(shì)明顯，具有廣泛的發(fā)展前景。由于各種主客觀限制性因素的影響，我國(guó)建筑物測(cè)量中三維激光掃描儀器的應(yīng)用還存在很多不完善之處。未來(lái)相關(guān)工作人員應(yīng)該加快研究工作，努力拓寬三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍，提升技術(shù)的使用效率及效果。

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作者簡(jiǎn)介：唐景全（1971-），男，廣東佛山人，佛山市三水國(guó)盛測(cè)繪有限公司測(cè)繪工程師。

（責(zé)任編輯：小 燕）