三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應(yīng)用

莫永強(qiáng)

廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院 廣東 廣州 510060

引言

現(xiàn)階段，三維激光掃描儀屬于全自動(dòng)精度較高的立體性掃描技術(shù)，其測量技術(shù)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光掃描測量設(shè)備發(fā)展至選用非接觸性主動(dòng)測量模式，作為對(duì)物體表層三維空間采樣坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)飛速獲取的測量設(shè)備?；诮ㄖ⒚鏈y量方面，三維激光掃描儀自涌現(xiàn)與發(fā)展后，讓傳統(tǒng)建筑物理念的測量局限得到了積極克服，其不再使用簡單工具測量建筑物的長寬高，如測距儀、皮尺等，則是無須接觸建筑物即可掃描，而且能夠轉(zhuǎn)換獲取的點(diǎn)云信息成為計(jì)算機(jī)能夠處理的高效測量數(shù)據(jù)形式。針對(duì)性處理人工采集建筑立面信息時(shí)，導(dǎo)致的效率及精度損失問題，特別是可對(duì)高層建筑立面不能測量等問題進(jìn)行強(qiáng)化處理。其主要優(yōu)勢包含較強(qiáng)實(shí)時(shí)性、速度快、無須接觸、主動(dòng)性、高精度、數(shù)字化等，其以提升激光掃描儀的測量方式，利用點(diǎn)云方式實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑表層陣列幾何數(shù)據(jù)的獲取，并對(duì)建筑立面信息實(shí)現(xiàn)及時(shí)大量的收集，從而給建筑立面的測量供應(yīng)新型技術(shù)。

1 三維激光掃描儀的操作原理與發(fā)展方向

1.1 操作原理

三維激光掃描儀是以激光測量距離，可以分析記錄測物體反射率、三維坐標(biāo)、建筑表層的紋理，并對(duì)被測物體點(diǎn)線面等相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速提供，按照上述數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)模型的快速構(gòu)建并繪圖，這對(duì)順利開展后續(xù)工作意義重大。目前三維激光掃描儀市場上的流行儀器就是脈沖掃描儀，可對(duì)時(shí)間漂移理念實(shí)現(xiàn)合理運(yùn)用。在如今社會(huì)上，三維激光掃描儀已經(jīng)廣泛用于諸多領(lǐng)域，如保護(hù)古代遺產(chǎn)、改造土木工程與建設(shè)、設(shè)計(jì)房屋建筑、規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)、認(rèn)定交通責(zé)任、評(píng)估災(zāi)害等建設(shè)數(shù)字化城市方面。采用三維激光掃描儀全面掃描三維物體，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的及時(shí)獲取，從而實(shí)現(xiàn)滿足數(shù)字化物品建模的構(gòu)建。

1.2 發(fā)展方向

第一臺(tái)三維激光掃描儀于20世紀(jì)60年代涌現(xiàn)，直至90年代才實(shí)現(xiàn)一款與之相符的激光掃描系統(tǒng)的成功研制，而且其開始在高速數(shù)據(jù)的測量范圍投用，伴隨該技術(shù)越來越成熟，其開始在城鎮(zhèn)規(guī)劃工作中投用。國內(nèi)三維激光掃描儀也處在完善更新階段，迄今為止，很多建筑模型的建設(shè)流程中都使用了掃描技術(shù)，此類技術(shù)發(fā)展到如今，已然變成測量地形。監(jiān)控災(zāi)害等區(qū)域的重要技術(shù)。

2 三維激光掃描儀的技術(shù)優(yōu)勢

在建筑物測量中，采用三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢具體如下[1]：①不需要連線草圖，因激光測速較快，因此對(duì)外業(yè)測繪進(jìn)行全面測量，其具有完整的外業(yè)數(shù)據(jù)，因此不需要進(jìn)行操作的繪制，僅需在內(nèi)業(yè)中合理取舍，確保制圖任務(wù)高效完成。針對(duì)與設(shè)計(jì)要求不符取舍，需要按照原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合理修正，無須進(jìn)入現(xiàn)場操作；②夜間及雨天復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)，在三維激光掃描儀的使用中，應(yīng)以高防水性為主，與遠(yuǎn)程工作方法結(jié)合起來，且無須繪制草圖以及瞄準(zhǔn)，因此無論是夜間或者雨天，測量人員都要在車內(nèi)遠(yuǎn)程測量，此次測量任務(wù)很急時(shí)，就要在雨天或者加班加點(diǎn)開展；③透視投影并無變形，在攝影測量中，拍攝相片需使用透視投影，導(dǎo)致其變形相對(duì)明顯，而激光掃描儀與全站儀相似可對(duì)距離與角度實(shí)現(xiàn)直接獲取，因此其點(diǎn)位并未出現(xiàn)投影變形，所以點(diǎn)云結(jié)合影像后可能形成正攝影像，且具有較高的精準(zhǔn)度；④不需要瞄準(zhǔn)，激光掃描儀可對(duì)地面實(shí)現(xiàn)全面測量，因此地面上的激光掃描儀已經(jīng)全面脫離必備物鏡、目鏡、瞄準(zhǔn)器等，包括經(jīng)緯儀、全站儀等設(shè)備，讓外業(yè)員工無須承受大量觀測任務(wù)所致的眩暈感，從而對(duì)外業(yè)進(jìn)行自動(dòng)測量。

3 三維激光掃描儀的技術(shù)路線

本文將工作實(shí)踐結(jié)合后，采取三維激光掃描儀對(duì)地面上的建筑物立面進(jìn)行掃描，具體操作內(nèi)容如下。

3.1 儀器的正確選擇

建筑物立面的測量工作需使用三維激光掃描儀開展，設(shè)備選型以RieGL VZ400，其參數(shù)具體如下：①掃描視場的范圍需控制在360°×100°，即水平垂直；②掃描精度為3mm，間距控制在100m，開展單點(diǎn)掃描；③掃描間距反射率需控制在600m/90%。

3.2 布設(shè)測站

選用三維激光掃描儀開展建筑物立面的測量工作，需保證所選測站可對(duì)測區(qū)面進(jìn)行全方位覆蓋，特別是高層建筑立面的頂端即側(cè)面，針對(duì)站站中間建筑物的點(diǎn)云密度顯然不足，因此應(yīng)確保重疊度充足，方便處理內(nèi)頁時(shí)，選擇相同名點(diǎn)展開配準(zhǔn)工作，完成配準(zhǔn)以后，測站范疇外緣稀疏密度的點(diǎn)云需通過臨近站點(diǎn)點(diǎn)云來彌補(bǔ)，在重疊度角度，點(diǎn)云可以自主明確的配置。在布設(shè)測點(diǎn)過程中，還需對(duì)儀器自身功能充分考慮，包括測成范疇、最大仰角、臨近測量站等位置，選站工作者必須完全熟悉掃描操作流程。

3.3 掃描操作

采用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描操作中，所選用的操作方法如下[2]：①選擇直接采集儀器后，開展全景360°掃描方式，在具體掃描過程中，需要對(duì)測站重視編碼，此種方式不能對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，但仍收獲較高的操作方法；②三維激光掃描儀需使用電腦控制掃描，此種方法會(huì)按照測量范疇進(jìn)行單站掃描起點(diǎn)與終點(diǎn)角度的設(shè)定，掃描前期相關(guān)人員需對(duì)儀器的角度方向深層了解，完成掃描工作后，需通過電腦對(duì)掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行直接觀察。

3.4 處理數(shù)據(jù)與配準(zhǔn)

預(yù)處理數(shù)據(jù)與配置應(yīng)該使用RieGL公司生產(chǎn)的型號(hào)為RiscanPro軟件，完成數(shù)據(jù)的采集后，若是處于儀器之中，需要在電腦中導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)，然后檢查其質(zhì)量，預(yù)處理數(shù)據(jù)泛指清理冗余數(shù)據(jù)，比如說刪除電力線及植被等。通過對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，需要配準(zhǔn)站間，先展開粗配方法，具體可以選擇如下方法[3]：①優(yōu)選相同特征方式展開配準(zhǔn)，此種方法適合在明顯同名點(diǎn)特征使用，同名點(diǎn)最少應(yīng)該選擇四個(gè)；②按照測站的人工交互移動(dòng)，移動(dòng)沒有配準(zhǔn)的測站至已經(jīng)完成配準(zhǔn)的相應(yīng)位置。完成粗配工作后，選擇自動(dòng)化ICP精配方法，確保配準(zhǔn)精準(zhǔn)度提升。

3.5 立面圖的測制方法

采用完成處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物立面圖的側(cè)制定，具體方法如下[4]：①提取建筑物立面特征點(diǎn)。此種方法需由操作人員利用電腦通過立體化觀測方法進(jìn)行點(diǎn)面的合理選擇，而后在CAD平臺(tái)上繪圖，因立體化觀測方法容易產(chǎn)生大量點(diǎn)云，準(zhǔn)確測標(biāo)切準(zhǔn)點(diǎn)會(huì)遭受觀測角度與主觀判斷因素的約束，所以相關(guān)人員需重復(fù)觀測與明確變換視角，這樣一來，容易降低操作效果；②平面投影插圖。此種方法可讓測量人員在重復(fù)變換角度確定觀測導(dǎo)致的低效問題，利用主動(dòng)研發(fā)點(diǎn)云軟件投影功能，展開主平面投影操作，意在每一次平面鎖定才能編輯，將立體點(diǎn)云當(dāng)中的干擾及時(shí)排出，將完成投影的目標(biāo)點(diǎn)云在CAD平臺(tái)中直接導(dǎo)入，然后掃描平面矢量化，避免立體觀測復(fù)雜性，確保操作效果全面提升。本項(xiàng)目在具體開展中，集中選擇上述兩種操作方法，先運(yùn)用第二個(gè)插圖方法，對(duì)投影下無法分辨清楚之處，需選用第一個(gè)立體觀測方法補(bǔ)繪。

3.6 外業(yè)測繪方法及補(bǔ)測

操作工具需使用測距儀、鋼卷尺、全站儀，進(jìn)行大范圍缺漏測量，還需使用三維激光掃描儀進(jìn)行補(bǔ)測。在CAD中根據(jù)外業(yè)測繪照片、外業(yè)補(bǔ)測數(shù)據(jù)制圖。

4 建筑物立面測量中三維激光掃描儀的實(shí)踐應(yīng)用

4.1 建筑物立面的測量特點(diǎn)

在建筑物的立面測量中，對(duì)測量精度、細(xì)度提出很高的要求，且測量內(nèi)容更豐富，需通過建筑外形詳細(xì)數(shù)據(jù)的全面收集，而且建筑物立面的測量對(duì)測量和繪圖水平提出很高的要求。在通常狀況下，建筑物的立面測量工期尚短，這就對(duì)員工提出了短時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度信息的獲取要求，這在無形中可讓測量難度最大化增加。例如，在測量城市建筑物立面時(shí)，開展測量工作必定會(huì)困擾到城市往來行人及行走車輛，但所需收集的信息非常多，容易增加測量人員的工作壓力。所以在測量建筑立面工作中，通過三維激光掃描技術(shù)全方位的測量建筑立面，并進(jìn)行高效快速掃描，可讓掃描誤差合理降低，提升測量操作效果，從而對(duì)傳統(tǒng)工作中存在的問題進(jìn)行妥善處理。

4.2 前期準(zhǔn)備工作

點(diǎn)云數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度缺乏的主要因素有很多，如建筑物立面的測量環(huán)境掃描儀本身特點(diǎn)等。所以在掃描任務(wù)開展前期，需高度重視勘察現(xiàn)場環(huán)境，確保所選的掃描儀更合理。通過提前勘察了解到，部分測量范疇內(nèi)人流上下班的高峰時(shí)段屬于集中表現(xiàn)，在局域內(nèi)，因樹木較高且短時(shí)內(nèi)不能避開，外加這個(gè)建設(shè)范疇內(nèi)，建筑物高度一般很矮且地形相對(duì)平坦，所以運(yùn)用高精準(zhǔn)度、簡單易操作特點(diǎn)的三維激光掃描技術(shù)。此類技術(shù)最大的測量間距需控制在450m，控制其測量精準(zhǔn)度為8mm-100m范疇以內(nèi)，時(shí)間段需選擇每天上午的10點(diǎn)到下午3點(diǎn)，躲避上班下班高峰時(shí)段，確保數(shù)據(jù)的獲取精度提升，并降低該區(qū)域所受影響至最低[5]。

4.3 建筑物的立面圖繪制方法

在建筑物立面的測量工作中，重點(diǎn)步驟就是繪制立面圖，繪制圖形需要全面還原建筑物，給開展相關(guān)工作供應(yīng)數(shù)據(jù)支撐。在建筑物立面圖的繪制中，需采用相應(yīng)繪制平臺(tái)，其中價(jià)值最高的平臺(tái)則是Microsation。該平臺(tái)和計(jì)算機(jī)輔助軟件中的設(shè)計(jì)系統(tǒng)需具備兼容性，并進(jìn)行完成收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，在平臺(tái)上搭建輔助性坐標(biāo)體系，給開展線化描繪操作提供保障，而后以此為前提，合理轉(zhuǎn)換投影，最終修飾標(biāo)注。在繪制建筑物立面圖時(shí)，不僅需遵從以上操作流程，又要選擇科學(xué)舉措，保證數(shù)據(jù)更精確與測繪效率。

4.4 處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]

第一，在Trimble Realworks軟件中傳輸測到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將自動(dòng)配準(zhǔn)工具用于配準(zhǔn)功能的模塊之中。此類軟件會(huì)按照各測站中點(diǎn)云掃描幾何特征判定其是否作為相同平面，并按照建筑平面幾何特點(diǎn)，合理開展不同測站的點(diǎn)云配準(zhǔn)。如果一些測站中計(jì)算機(jī)無法自動(dòng)開展配準(zhǔn)，需選用人工選擇方式展開名點(diǎn)配準(zhǔn)。在測量外業(yè)過程中，如果需要采用銜接靶標(biāo)球進(jìn)行測站點(diǎn)拼接時(shí)，需鑒于配準(zhǔn)目標(biāo)工具在配準(zhǔn)功能下進(jìn)行配準(zhǔn)操作。

第二，配準(zhǔn)工作完成后，需要去噪處理點(diǎn)云。采用三維掃描技術(shù)進(jìn)行外業(yè)測量操作的開展，該儀器可以收集全部能夠發(fā)射激光信號(hào)物體，其中包含建筑物立面以外樹木、行人、車輛等，除了有利于數(shù)據(jù)分析量增加外，還會(huì)對(duì)提取建筑物立面與識(shí)別特征產(chǎn)生影響。

第三，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割后，需開展正攝投影。也就是選擇建筑物立面相同點(diǎn)云數(shù)據(jù)中三個(gè)豎直特點(diǎn)定義投影面，并利用數(shù)字化正射影像特性之中的定向量檢查投影面的豎直性。而后定義圖像分辨大小、像素、投影點(diǎn)云區(qū)，在此過程當(dāng)中，點(diǎn)云密度、分辨大小、圖像像素之間的關(guān)系密切，說明建筑立面存在越多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，正射影像分辨率就會(huì)越高。另外，正射影像數(shù)字顏色定義需要將彩色代碼、弧度級(jí)別、真彩色等性質(zhì)為據(jù)，按照不同狀況，簡化影像的判讀工作。

5 結(jié)束語

總之，立身于新型測量技術(shù)的運(yùn)用，梳理三維激光掃描儀測量地面的操作原理。與某區(qū)域建筑物立面的測量工作結(jié)合在一起，采用三維激光掃描技術(shù)全天無休、準(zhǔn)確性、高效性等技術(shù)特征，幫助相關(guān)人員完成建筑物立面的測量項(xiàng)目規(guī)劃，并獲得了理想的效果。對(duì)比傳統(tǒng)建筑物的立面測量工作而言，選用測距儀及皮尺操作，現(xiàn)場操作需預(yù)先繪制草圖，針對(duì)測量困難之處需選用目測方式，此種測量方法精度不高及作業(yè)流程復(fù)雜。本文對(duì)地面三維激光掃描儀進(jìn)行傳統(tǒng)操作方式的積極改善，在采集數(shù)據(jù)效果與成圖精準(zhǔn)度方面都實(shí)現(xiàn)了大幅度提升。