三維激光掃描儀在校園建筑物建模中的應(yīng)用

田振興 王 博 范天雨 董 浩

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

·測量·

三維激光掃描儀在校園建筑物建模中的應(yīng)用

田振興 王 博 范天雨 董 浩

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

通過對三維激光掃描儀的基本工作原理及工作流程的介紹，并結(jié)合實(shí)例，最終實(shí)現(xiàn)了校園建筑物模型的建立和網(wǎng)頁發(fā)布，為數(shù)字校園的建立提供可靠的技術(shù)支持。

三維激光掃描儀，建筑物，點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)字校園

0 引言

三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，通過大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立物體的三維影像模型，由于其具有主動(dòng)性強(qiáng)，能全天候工作；數(shù)據(jù)獲取速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；數(shù)據(jù)量大，精度較高；數(shù)字特征，信息傳輸、加工、表達(dá)容易等[1]獨(dú)特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于測繪工程、水利水電工程、地鐵隧道工程、逆向工程、工廠數(shù)字化、安裝工程、BIM建筑掃描、航空航天、自然勘察、古建筑保護(hù)、文化遺產(chǎn)等數(shù)字化存檔和修復(fù)保護(hù)，刑偵、事故、安全等調(diào)查取證等領(lǐng)域。

本文介紹了徠卡ScanStation P30新一代超速三維激光掃描儀的工作流程，并結(jié)合三維激光掃描儀的基本工作原理，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模以及后期網(wǎng)頁發(fā)布的全過程，最后以華北水利水電大學(xué)農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場為例，構(gòu)建了農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場的三維模型，并為數(shù)字化校園的建立提供可靠的技術(shù)支持。

1 三維激光掃描儀基本工作原理和技術(shù)參數(shù)

1.1 三維激光掃描儀的基本工作原理

三維激光掃描儀的角度測量系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)能夠完成對物體的快速掃描，通過被測物體表面的反射點(diǎn)到觀測點(diǎn)的斜距、豎直角度、水平角度和反射強(qiáng)度，計(jì)算獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)并自動(dòng)儲(chǔ)存。

三維激光掃描儀確定一個(gè)右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)系以掃描儀的中心為原點(diǎn)，豎直方向?yàn)閆軸正方向，水平掃描面內(nèi)與Z軸垂直的方向?yàn)閄軸、Y軸，X軸、Y軸相互垂直，X軸、Y軸、Z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系[2]。

直角坐標(biāo)系內(nèi)點(diǎn)云測量原理如圖1所示。

掃描儀由兩個(gè)同步鏡旋轉(zhuǎn)，并測量每一個(gè)激光脈沖來計(jì)算被測物體表面到儀器的距離，被測物體任意一個(gè)點(diǎn)云P的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)計(jì)算公式為：

(1)

1.2 技術(shù)參數(shù)

本次實(shí)例中采用徠卡P30三維激光掃描儀，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 地面三維激光掃描技術(shù)的工作步驟

利用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般分為三步：第一步：制定掃描計(jì)劃；第二步：外業(yè)數(shù)據(jù)掃描；第三步：內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行具體工作前應(yīng)制定詳細(xì)的工作計(jì)劃，一般包括：1)勘察現(xiàn)場，繪制整體平面示意圖。測量人員及記錄人員實(shí)地勘察作業(yè)環(huán)境，包括地形、路面的光滑程度、作業(yè)范圍的空間結(jié)構(gòu)，記錄員繪制整體的平面示意圖。2)規(guī)劃站點(diǎn)，布置標(biāo)靶。測量人員根據(jù)作業(yè)要求，規(guī)劃站點(diǎn)的數(shù)量及位置并布置標(biāo)靶，記錄員記錄站點(diǎn)和標(biāo)靶位置，并在平面示意圖上標(biāo)注站點(diǎn)和標(biāo)靶的位置；外業(yè)數(shù)據(jù)掃描主要是對數(shù)據(jù)的采集并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場分析，檢查其是否符合要求[3]；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要是對外業(yè)采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云拼接、圖像處理、數(shù)據(jù)建模以及后期的網(wǎng)頁發(fā)布等工作。

表1 徠卡P30主要技術(shù)參數(shù)

3 應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例為華北水利水電大學(xué)農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場的掃描建模，采用徠卡P30三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件Cyclone 9.1來獲取和處理數(shù)據(jù)。

1)掃描前的準(zhǔn)備工作：因掃描范圍大，將人員分為兩組，一組負(fù)責(zé)室內(nèi)掃描;另一組負(fù)責(zé)室外掃描。小組確定后，小組成員需進(jìn)行現(xiàn)場勘察，明確掃描線路，合理規(guī)劃掃描的觀測站數(shù)及觀測站點(diǎn)的位置，標(biāo)靶粘貼位置及標(biāo)靶的數(shù)量。記錄員繪制整體的平面示意圖，并在平面示意圖上標(biāo)注站點(diǎn)和標(biāo)靶位置。因掃描范圍大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，共設(shè)置站點(diǎn)63個(gè)，其中室內(nèi)40個(gè)，室外23個(gè)。本次實(shí)驗(yàn)由于測站數(shù)較多，圓形磁性靶標(biāo)難以滿足實(shí)驗(yàn)要求，故采用4.5 in紙質(zhì)標(biāo)靶并粘貼在建筑物的表面。

2)掃描：采用徠卡P30三維激光掃描儀對農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場場地進(jìn)行全面掃描，因儀器較為先進(jìn)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)的有效性，對不合格的數(shù)據(jù)予以刪除并進(jìn)行重新掃描。本次實(shí)驗(yàn)采用全景掃描，部分采用自定義掃描。掃描方式為掃描加拍照。分辨率為6 mm@50 m，靈敏度為正常。圖2為農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場的彩色點(diǎn)云，其中YD3,013,029,010等為標(biāo)靶的識別，Station-023,Station-007,Station-022為站點(diǎn)位置標(biāo)號。

3)測量標(biāo)靶坐標(biāo)：為了更加直觀表現(xiàn)建筑物數(shù)字化的特點(diǎn)，在標(biāo)靶粘貼完畢后選取了6個(gè)特征標(biāo)靶，并測量了這6個(gè)標(biāo)靶的坐標(biāo)值，用于賦予點(diǎn)云數(shù)據(jù)真實(shí)的坐標(biāo)值。坐標(biāo)格式為X,Y,Z形式。

4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接：點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接模式主要包括基于標(biāo)靶的拼接、基于特征點(diǎn)的拼接、基于測量點(diǎn)的拼接以及混合拼接等方式。因本次實(shí)驗(yàn)采用大量標(biāo)靶，并在標(biāo)靶布置時(shí)確保兩站至少有4個(gè)以上標(biāo)靶重合[4]，且3個(gè)標(biāo)靶未在一條直線上，故采用基于標(biāo)靶拼接的形式進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，這種拼接方式速度快，且拼接精度極高，提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率，具體的拼接誤差如圖3所示，拼接精度控制在6 mm以內(nèi)。

5)數(shù)據(jù)去噪：在掃描農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場場地時(shí)，由于建筑物周圍有樹木、雜草、行人的干擾，對整體效果產(chǎn)生影響，需進(jìn)行去噪處理，選中噪聲數(shù)據(jù)通過Cyclone軟件中的Fence/delete inside工具以手動(dòng)的方式刪除那些不屬于建筑物的噪聲點(diǎn)[5]。

6)三維模型建立：本次實(shí)驗(yàn)的三維模型由系統(tǒng)軟件Cyclone以及第三方軟件(3DMax)建立，建成的模型進(jìn)行了貼圖和渲染，最終成果圖如圖4所示。

7)網(wǎng)頁發(fā)布：本次實(shí)驗(yàn)將最終模型通過Cyclone的TruView插件進(jìn)行了網(wǎng)頁發(fā)布，師生可以免費(fèi)下載TruView插件進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽，并可在網(wǎng)頁內(nèi)對農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場現(xiàn)場進(jìn)行量測，包含坐標(biāo)點(diǎn)量測、距離量測等簡單的量測，網(wǎng)頁發(fā)布成果圖如圖5所示。

4 遇到的問題

掃描過程中因設(shè)站地點(diǎn)與標(biāo)靶粘貼角度問題，以及掃描場地的限制，在后期數(shù)據(jù)拼接過程中，標(biāo)靶中心點(diǎn)不能得到清晰的識別，然而采用尋找特征點(diǎn)(墻角，房檐等)的方式拼接，導(dǎo)致拼接誤差很大。故最終需重新獲取不合格的標(biāo)靶信息，對于不合格的標(biāo)靶信息，采用直接獲取標(biāo)靶中心點(diǎn)的方式，雖然采用這種方式降低了工作效率，但是減少了后期數(shù)據(jù)拼接的工作量，同時(shí)也大大減小了數(shù)據(jù)拼接的誤差。

5 結(jié)語

本文介紹了徠卡P30三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù)的基本工作原理及工作流程，通過對農(nóng)水實(shí)驗(yàn)場場地的掃描，完成了從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)濾波、三維建模以及網(wǎng)頁發(fā)布的整個(gè)流程，方便師生對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽。下一步的研究試圖將整個(gè)校園的建筑物進(jìn)行全面掃描，建立一個(gè)完整的三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)頁發(fā)布，為數(shù)字校園的建立提供可靠的技術(shù)支持。

[1] DINESH M, RYOSUKE S. Auto-extraction of Urban Features from Vehicle-Boren Laser Data[Z]. Symposium on Geospatial Theory Processing and Application, Ottawa,2002.

[2] 張慧霞，陳宜金，劉國波.基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究[J].測繪工程，2010，19(1)：32-38.

[3] 劉 春，楊 偉．三維激光掃描對構(gòu)筑物的采集和空間建模[J].工程勘察，2006(4)：47-50.

[4] 趙 煦，周克勤，閆 利,等.基于激光點(diǎn)云的大型文物景觀三維重建方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，33(7)：684-687.

[5] 宮麗瑋，張 毅，閆 利.基于Cyclone和PolyWorks的三維建模實(shí)現(xiàn)[J].地理空間信息，2012，10(5)：38-49.

Application of 3D laser scanner in campus building modeling

Tian Zhenxing Wang Bo Fan Tianyu Dong Hao

(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450045,China)

In this paper, it introduced the working principle and working process of the 3D-laser scanning. Finally, through an example realize the establishment of the campus building model and web publishing, it has provided reliable technical support for establishing digital campus.

3D-laser scanning, building, point cloud data, digital campus

1009-6825(2017)21-0191-02

2017-04-27

田振興(1992- )，男，在讀碩士; 王 博(1987- )，男，博士,講師; 范天雨(1992- )，男，在讀碩士 董 浩(1992- )，男，在讀碩士

P234

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