基于地面三維激光掃描技術(shù)的復(fù)雜外型建筑物空間信息獲取

張濤

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.007

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)。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描技術(shù) 點云數(shù)據(jù) 復(fù)雜外型建筑物

中圖分類號：P208 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（c）-0007-02

多年以來，城市建筑物空間信息獲取因其高度和建筑造型的三維復(fù)雜性，一直沒有適用的快速測量工具和方法。獲取城市建筑物空間信息，采用傳統(tǒng)的測繪方法，對于復(fù)雜外型的建筑物受到多種因素的限制，其完整性與準(zhǔn)確性也存在一定的局限。當(dāng)前急需先進的、適用的測量設(shè)備和技術(shù)方法，降低人員的工作風(fēng)險、加快作業(yè)速度，提高空間信息精度。

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)到待測量點位，即使不斷變換測量站點也很難瞄準(zhǔn)到待測量點位，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。

1.2 GNSS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)每一個點位進行“接觸式”測量，速度慢，效率較低，信號容易受到遮擋，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，較少受自然和地理條件限制。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)已進入數(shù)字?jǐn)z影測量時代。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，按要求拍攝大量具有較短基線和不同交會角的序列影像，然后將少量全站儀測量的高精度點位坐標(biāo)與攝影測量豐富的影像信息結(jié)合起來，獲取的大量同名點的空間坐標(biāo)與并建立高精度的數(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)，同時也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉(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)過的時間（或者相位差）來計算距離。

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、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

首先整體踏勘現(xiàn)場，收集數(shù)據(jù)資料，包括控制點、點位圖、作業(yè)時間段等信息，根據(jù)現(xiàn)場條件和建筑物整體外形特點確定一條合理的掃描路線；合理布設(shè)掃描視點位置，對于一個單體獨立的建筑物設(shè)置掃描測站4～6站為最佳，掃描儀距離建筑物10～20m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誤差，通常采用架設(shè)全站儀測量多個掃描視點坐標(biāo)的方法，并盡可能選擇較少的視點位置掃描完成外業(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，每站必須要有三個控制標(biāo)靶重合以滿足點云的拼接；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，可以加密部分站點。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)點云處理和紋理貼圖的需要。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

（1）點云數(shù)據(jù)去噪濾波。對獲取的點云數(shù)據(jù)進行地物分離，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。

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

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

（4）點云數(shù)據(jù)壓縮。經(jīng)過去噪和濾波后剩余的有效點云數(shù)量也非常多，為縮減點云數(shù)量，加快點云處理速度，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云的特征，最大限度地壓縮點云數(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-角度聯(lián)合與弦值法。

（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，可以對點云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，建立拓?fù)潢P(guān)系，從而進行邊界線提取；也可以從通過點云數(shù)據(jù)的距離信息、CCD影像等方法提取建筑物各個特征結(jié)構(gòu)，如門、窗、陽臺等。

（6）三維建模。建筑物三維模型是基于點云模型構(gòu)建的，對于大型建筑物進行建模時，要把建筑物的每一個構(gòu)建進行分離，分離時可分為規(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，進行量測量、網(wǎng)上發(fā)布等一系列操作。

（7）紋理映射。三維模型建立后，進行紋理映射，將數(shù)碼相機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，試驗驗證了所獲取數(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，避免每一個建筑物進行“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，這將是需要進一步研究的方向。

參考文獻

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