地面三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜外型建筑物空間信息獲取中的應(yīng)用

林俊辰　張濤

[摘要]地面三維激光掃描技術(shù)因其非接觸式高精度海量地獲取目標(biāo)物的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為復(fù)雜外型建筑物空間信息獲取提供了新方法。本文詳細(xì)闡述利用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜外型建筑物空間信息獲取的外業(yè)與內(nèi)業(yè)流程及其關(guān)鍵技術(shù)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所獲取的空間信息點(diǎn)位精度可靠。

[關(guān)鍵詞]地面三維激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；復(fù)雜外型建筑物

0引言

地面三維激光掃描技術(shù)是一種以激光測距方式快速獲取大量測點(diǎn)三維坐標(biāo)的測量技術(shù)，能夠克服傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，獲取更加全面的建筑物信息，實(shí)現(xiàn)測繪成果數(shù)字化，對于建筑物的三維重建及變形監(jiān)測都具有重要意義。通過獲取建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行建筑物的三維重建、虛擬現(xiàn)實(shí)以及進(jìn)行建筑物變形觀測等，為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理提供科學(xué)基礎(chǔ)。我國基于地面三維激光掃描技術(shù)的建筑物測繪方法普及較快，但主要針對建筑物表面的單一結(jié)構(gòu)。近幾年對于復(fù)雜外型的建筑物的測量方法研究也逐漸受到重視，建筑外型幾何結(jié)構(gòu)多變、變化的光照條件、復(fù)雜地形以及不規(guī)則未知遮擋物等問題都成為新的研究熱點(diǎn)。

1傳統(tǒng)城市建筑物空間信息獲取技術(shù)

1.1全站儀獲取技術(shù)

全站儀是現(xiàn)今較多使用的基本測繪儀器，它能夠?qū)σ话憬ㄖ镞M(jìn)行距離測量和角度測量，從而獲取建筑的空間坐標(biāo)等信息，能夠保證一定的測繪速度，測繪精度也高。但對于高層特別是超高層建筑物，全站儀受城市空間地形的限制，多數(shù)不能瞄準(zhǔn)到待測量點(diǎn)位，即使不斷變換測量站點(diǎn)也很難瞄準(zhǔn)到待測量點(diǎn)位，而且全站儀獲取到的建筑物空間信息沒有色彩紋理等建筑圖像概念。

1.2GNSS獲取技術(shù)

傳統(tǒng)GNSS技術(shù)可以直接得到建筑物目標(biāo)在大地坐標(biāo)系中的位置，GNSS原理簡單，操作方便，在高層建筑物變形監(jiān)測中比傳統(tǒng)測量方法優(yōu)勢顯著。GNSS測量對目標(biāo)的形狀、格局并沒有特殊要求，尤其不怕樹木的遮擋，適用于林木茂密地區(qū)，但其測量條件是人員可達(dá)，需要人員到達(dá)每一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行“接觸式”測量，速度慢，效率較低，信號(hào)容易受到遮擋，一般不用于室內(nèi)。因此，GNSS適用的目標(biāo)多為大尺度、細(xì)節(jié)變化少的目標(biāo)，所以用它來測繪建筑細(xì)部，效率比較低，也不夠精確。

1.3攝影測量技術(shù)

攝影測量主要是在像片上進(jìn)行量測，獲取大量復(fù)雜的幾何信息與表面紋理信息，無需接觸建筑物本身，較少受自然和地理?xiàng)l件限制。攝影測量從模擬攝影測量開始，經(jīng)過解析攝影測量階段，現(xiàn)已進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代。多基線攝影測量采用短基線、多影像攝影測量原理，欲利用現(xiàn)有的非量測數(shù)碼相機(jī)，按要求拍攝大量具有較短基線和不同交會(huì)角的序列影像，然后將少量全站儀測量的高精度點(diǎn)位坐標(biāo)與攝影測量豐富的影像信息結(jié)合起來，獲取大量同名點(diǎn)的空間坐標(biāo)并建立高精度的數(shù)字化模型。

2地面三維激光掃描技術(shù)

地面三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量方式，以點(diǎn)云形式獲取地形及復(fù)雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD、儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器通過兩個(gè)同步反射鏡快速而有序的旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間（或者相位差）來計(jì)算距離。

3基于地面三維激光掃描技術(shù)的復(fù)雜外型建筑空間信息獲取

地面三維激光掃描技術(shù)獲取城市復(fù)雜外型建筑物空間信息工作流程大致分為掃描方案設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。

3.1掃描方案設(shè)計(jì)

首先整體踏勘現(xiàn)場，收集數(shù)據(jù)資料，包括控制點(diǎn)、點(diǎn)位圖、作業(yè)時(shí)間段等信息，根據(jù)現(xiàn)場條件和建筑物整體外形特點(diǎn)確定一條合理的掃描路線；合理布設(shè)掃描視點(diǎn)位置，對于一個(gè)單體獨(dú)立的建筑物設(shè)置掃描測站4～6站為最佳，掃描儀距離建筑物10～20米較為適宜；地面三維激光掃描儀的采樣密度間隔根據(jù)工程項(xiàng)目精度要求設(shè)定；設(shè)備方面保證有充足的電源，足夠數(shù)量的標(biāo)靶球或標(biāo)靶板；人員方面確定好運(yùn)輸設(shè)備、操作儀器、布設(shè)標(biāo)靶等分工。

3.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

為了減少采集原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其拼接的誤差，有效控制地面三維激光掃描儀累計(jì)誤差，通常采用架設(shè)全站儀測量多個(gè)掃描視點(diǎn)坐標(biāo)的方法，并盡可能選擇較少的視點(diǎn)位置掃描完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。在掃描過程中相鄰兩站之間需要保證一定的重疊度，每站必須要有三個(gè)控制標(biāo)靶重合以滿足點(diǎn)云的拼接；要保證掃描建筑物數(shù)據(jù)的完整性，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑掃描時(shí)，可以加密部分站點(diǎn)。隨著地面三維激光掃描儀的不斷發(fā)展，利用掃描儀內(nèi)部集成的數(shù)碼相機(jī)獲取建筑物的影像和標(biāo)靶的影像，這些影像反差低、色彩逼真、細(xì)節(jié)層次明顯，完全能夠滿足后續(xù)點(diǎn)云處理和紋理貼圖的需要。

3.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪濾波

對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地物分離，提取建筑物數(shù)據(jù)。將掃描視場范圍內(nèi)的其他無關(guān)物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波去掉，清除周圍的噪聲數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)量，簡化處理難度。

3.3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

在掃描過程中，每次得到的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是獨(dú)立在當(dāng)前視點(diǎn)下的一個(gè)局部坐標(biāo)系內(nèi)，為了將所有的掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系下，就必須對掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)?？梢圆捎没跇?biāo)靶的拼接配準(zhǔn)、基于特征點(diǎn)云的拼接配準(zhǔn)、基于測站點(diǎn)的點(diǎn)云拼接配準(zhǔn)等方法。

3.3.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

經(jīng)過配準(zhǔn)融合后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散的，不能準(zhǔn)確真實(shí)地表示建筑物的表面形狀，需要將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格等模型，根據(jù)點(diǎn)云的結(jié)構(gòu)、點(diǎn)的分布等因素構(gòu)建出以數(shù)據(jù)點(diǎn)為頂點(diǎn)的TIN三角形，以更好地逼近建筑物表面形狀。

3.3.4點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮

經(jīng)過去噪和濾波后剩余的有效點(diǎn)云數(shù)量也非常多，為縮減點(diǎn)云數(shù)量，加快點(diǎn)云處理速度，有必要采取一些方法，在保證失真較小的情形下，盡可能地保留原始點(diǎn)云的特征，最大限度地壓縮點(diǎn)云數(shù)據(jù)，刪除不必要的數(shù)據(jù)，只留下對后續(xù)處理和建模有用的凝縮數(shù)據(jù)。目前常用的方法主要為最小距離法、角度偏差法、距離一角度聯(lián)合與弦值法。

3.3.5特征提取

建筑物特征要素提取直接關(guān)系到模型的完美程度，可以對點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，建立拓?fù)潢P(guān)系，從而進(jìn)行邊界線提??；也可以從通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的距離信息、ccD影像等方法提取建筑物各個(gè)特征結(jié)構(gòu)，如門、窗、陽臺(tái)等。

3.3.6三維建模

建筑物三維模型是基于點(diǎn)云模型構(gòu)建的，對于大型建筑物進(jìn)行建模時(shí)，要把建筑物的每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行分離，分離時(shí)可分為規(guī)則的建筑物構(gòu)件和不規(guī)則的建筑物構(gòu)件。所建立的三維模型是建筑物重要的空間信息，可在模型上提取斷面圖，進(jìn)行量測量、網(wǎng)上發(fā)布等一系列操作。

3.3.7紋理映射

三維模型建立后，進(jìn)行紋理映射，將數(shù)碼相機(jī)獲得建筑物影像信息恢復(fù)到模型表面，紋理映射技術(shù)重建模型逼真的表面信息，產(chǎn)生仿真的視覺效果，生成三維景觀模型。

4結(jié)語

地面三維激光掃描技術(shù)為高精度獲取城市建筑物空間信息提供了有效的解決方法。本文闡述三維激光掃描技術(shù)獲取城市建筑物空間信息的可行性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所獲取數(shù)據(jù)精度的可靠性。利用三維激光掃描技術(shù)測量能夠減少普通測量外業(yè)工作量，避免人工攀爬，避免每一個(gè)建筑物進(jìn)行“接觸式”的測量。三維激光掃描技術(shù)在大型建筑場地及建筑物內(nèi)部信息獲取等領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用前景，這將是需要進(jìn)一步研究的方向。