三維激光掃描儀及其在建筑行業(yè)中的應用

凌敏

摘 要：隨著科技的革新，GPS和CORS空間定位系統(tǒng)逐漸發(fā)展完善，3D激光掃描技術在測繪技術領域越發(fā)引起關注，該技術可以對大范圍的空間點位信息進行迅速的采集，通過對采集的數(shù)據(jù)進行后處理，構建觀測體的三維影像。文章在介紹Focus 3D X330系統(tǒng)的基礎上，利用該技術應用于上海某小區(qū)建筑群的三維影像模型構建，效果良好。

關鍵詞：三維激光掃描；測繪技術；影像模型；建筑

中圖分類號：P225.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0155-02

1 概述

3D激光掃描技術是近二十來年開始發(fā)展起來的一項基于空間定位系統(tǒng)的高新技術，尤其是對物體的精確刻畫能力，故又名實景復制技術。它通過高速激光對物體的掃描測量，高分辨率、大范圍地、快速地獲取觀測對象的三維坐標空間信息數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)軟件對采集的空間點位信息數(shù)據(jù)進行處理，力圖逼真構建觀測體三維影像情景。該技術具有采集數(shù)據(jù)精度高和點位密集度高，信息數(shù)據(jù)處理自動化和數(shù)字化強大，信息數(shù)據(jù)采集迅速、主動，數(shù)據(jù)實時性和動態(tài)性好以及數(shù)據(jù)采集時無需接觸物體并具有一定的穿透性等特征，其快速發(fā)展和在實踐中的應用有可能又會引起測量技術的突飛猛進。

3D激光掃描技術，其原理是利用激光測距的方法，通過觀測目標物體表層海量的、高密集的空間點位的三維坐標信息以及目標物體不同部位的紋理和反射率，有效地構建出觀測目標的三維空間模型以及線、面、體等各種類型圖件。3D激光掃描技術相對于傳統(tǒng)的單點測量（如RTK），也是測量領域由點至面信息數(shù)據(jù)采集的一次革命性技術突破?，F(xiàn)今，該技術在建筑建模、建筑形變監(jiān)測、室內(nèi)結構設計、建筑規(guī)劃、地質災害評估、地產(chǎn)行業(yè)高端建筑群設計、文化考古、數(shù)字工廠（管道、船舶和油罐）、地形掃描、地下礦區(qū)以及特殊環(huán)境等領域的關注度日益增強。鑒于此技術的實用性，在現(xiàn)代職業(yè)教育中，為了使課堂教學更好的服務于生產(chǎn)實踐，各學校也陸續(xù)開始購置三維激光掃描儀，如上海市城市建設工程學校（上海市園林學校）于2017年5月份購置了兩臺Focus 3D X350新型激光掃描儀，并開始應用于生產(chǎn)實踐。

2 Focus 3D X350系統(tǒng)介紹

Focus 3D X350是一款最新、最先進的高速3D激光掃描儀。Focus 3D X350只需要花費幾分鐘的時間，就能對比較復雜的觀測體的幾何形狀提供詳細的、高仿真性的三維模擬情景圖像。新型的Focus 3D X350是一款超長測量距離的高速三維掃描儀，將掃描范圍擴展至全新的尺寸，能夠在陽光直射下掃描最遠距離為 330 米的物體。同時，利用所集成的GPS接收器，這款激光掃描儀能夠使每次掃描與后處理相互關聯(lián)，而成為測量型應用的理想選擇。

2.1 Focus 3D X350功能優(yōu)勢

Focus 3D X350新型激光掃描儀利用觸摸屏實現(xiàn)了操作的簡單化和直觀化，具有如下功能：（1）集成式傳感器；（2）獨立解決方案；（3）外形小巧；（4）集成彩色照相機；（5）數(shù)據(jù)管理。除上述功能外，還集成有 GPS 傳感器，能夠讓每次掃描與后處理相互關聯(lián)，使其成為測量型應用的理想選擇。

2.2 Focus 3D X350使用優(yōu)勢

（1）應用多樣化。X350具有簡單的儀器操控、外觀設計小巧人性化， 在記錄建筑施工監(jiān)管、3D建筑設計、復雜工程、歷史文化遺產(chǎn)保存等方面能夠滿足各種實踐應用需求。

（2）記錄室內(nèi)環(huán)境。利用X350可以快速的對各種領域的室內(nèi)環(huán)境和技術設施（如市政建筑施工、大型精密儀器的傳送系統(tǒng)）進行3D記錄生成。

（3）記錄產(chǎn)品和組件信息。不管是在工藝產(chǎn)品設計時進行大型機械組件的檢查，還是在復雜多變的鋼架結構工程中，X350均能有效的對各種形狀和尺寸的產(chǎn)品和組件進行掃描測量，并自動生成詳細、高精度的數(shù)據(jù)和搭建觀測體的三維實景模型。

（4）記錄室外環(huán)境。X350可以對道路、河流、建筑物和各類景觀特點進行精確記錄，其最遠可將120m外的物體進行實時記錄。

3 應用案例

3.1 項目概況

掃描區(qū)域是上海市某小區(qū)，實施項目是小區(qū)剛建成竣工，業(yè)主單位希望通過對整片小區(qū)進行快速的測量，從而快速得到小區(qū)內(nèi)建筑建成后的平面圖以及建筑拐點坐標，從而對比設計之初與建成之后的相對偏差，為后期附屬設施的建設和布置提供精準的數(shù)據(jù)參照。并且希望同時獲得小區(qū)內(nèi)建筑結構模型，從而傳輸?shù)綌?shù)字城市平臺完善更新。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1 掃描作業(yè)前的準備

本次掃描是為實現(xiàn)9棟居民樓進行立面圖繪制和建模，為了達到要求目的，必須順利采集9棟房屋的完整點云數(shù)據(jù)，并使得房屋點云能夠有效、精確的進行拼接，并且減少架站點的個數(shù)。

3.2.2 作業(yè)詳細步驟

根據(jù)測試要求，根據(jù)所提供的控制點個數(shù)和位置，為了更好的在點云上反應小區(qū)完整的信息，便于模型的建立，根據(jù)后方交會的原理，一共架設了22個站點和10個控制點。站點架設儀器位置，每一站都選擇盡可能多的反應房屋內(nèi)容或者重點需要表達的部位，站點之間需要至少2個控制點，標靶擺放在控制點上，標靶正對著掃描儀，這樣在掃描儀精掃標靶的時候掃描到盡可能多的點，降低擬合標靶中心位置的誤差，并且標靶放置在盡量離掃描儀遠的位置，這樣在坐標轉換的過程中也把坐標轉換誤差降低到最小。

3.2.3 標靶中心坐標的獲取

掃描儀旋轉一周后，在PC上通過軟件找到掃描點云反射率90%以上的物體（標靶），掃描儀會精細掃描標靶，在這個標靶上會掃描4000個測量點，通過這4000個點擬合出來標靶的中心，如果標靶是圓形的，則擬合出來標靶圓心。用全站儀獲取標靶的中心坐標，只需望遠鏡對準標靶的中心即可。

3.3 數(shù)據(jù)預處理endprint

3.3.1 數(shù)據(jù)的坐標轉換與拼接

把全站儀采集的標靶數(shù)據(jù)導出來，在Excel里編輯成（E N Z）格式的數(shù)據(jù)，在以.csv的數(shù)據(jù)格式保存下來。把數(shù)據(jù)導入軟件，在軟件的左邊樹狀菜單欄下面有個TPL（PRCS），雙擊打開，導入特征點數(shù)據(jù)的選項。掃描儀掃描的時候會以激光發(fā)射中心做為坐標原點，起始方向做為X軸建立坐標系（SOCS），即掃描儀坐標系，掃描的站點是互不關聯(lián)的。這些特征點符合好了，那么所有的點都轉換到全站儀使用的坐標系中。把掃描儀掃描的坐標系導入到軟件以后，使用后視方法，軟件就會自動的解算相關位置，等結算完，坐標也轉換了（可以用自動校準模塊來多點云進行更詳細的拼接，用以提高精度）。

3.3.2 剔除贅余點

3D激光掃描儀會把所觀測的目標進行整體掃描，這樣掃描下來的點位空間信息數(shù)據(jù)肯定會有部分的贅余數(shù)據(jù)，在對目標物進行3D情景模型以前，需要根據(jù)不同的需求去選擇實用性數(shù)據(jù)，同時過濾掉部分不需要的數(shù)據(jù)或者人工刪除那些非點數(shù)據(jù)。本次任務主要是獲取9棟建筑物，所以可以選擇性的保留下來9棟建筑物的全部點云數(shù)據(jù)，把其他的與此無關的多余點位空間數(shù)據(jù)剔除。

3.4 數(shù)據(jù)整理和成果展示

利用過濾后的點云進行加工，我們將點云導入CAD之中，使用相關控件，直接在點云上對房屋進行模型建立。

（1）導入CAD之后，使用point cloud控件，直接在點云上建立面片和房屋整體模型。

（2）利用CAD中的KUBIT插件，根據(jù)導入的樓體點云數(shù)據(jù)，直接建立的白模。

（3）利用3D-MAX軟件，為建立好的模型貼紋理，使得效果更佳的逼真。

經(jīng)過以上操作流程之后，附有色彩信息的三維立體模型就可以順利的展示出來。

4 結束語

通過3D激光掃描儀對整個建筑群的掃描，獲取了該小區(qū)建筑群的實際尺寸的各項點云數(shù)據(jù)，后期通過對數(shù)據(jù)進行有效處理，生成該小區(qū)建筑群的3D立體模型，從而得到相應的三維模型數(shù)據(jù)，擁有模型數(shù)據(jù)后便能提取任意的二維線畫圖資料。

建筑建模是三維激光掃描儀的一大主要應用方向，掃描儀的特性決定了應用于建筑掃描將非常得心應手，因為無論多復雜的建筑結構掃描儀都能完整細致地將每個建筑細節(jié)真實得從點云數(shù)據(jù)的角度反映出來，而且精度范圍可控，加上現(xiàn)今建模軟件越加趨于完善，尤其針對三維點云建模的軟件和插件層出不窮，為三維掃描儀應用于建筑建模、建筑形變監(jiān)測、室內(nèi)結構設計、建筑規(guī)劃、地產(chǎn)行業(yè)高端建筑群設計、文化考古、數(shù)字工廠（管道、船舶和油罐）、地形掃描、地下礦區(qū)以及特殊環(huán)境等領域提供了強勁的技術支持。

參考文獻：

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