基于TLS的建筑物外型掃測距離偏差研究

張 濤,楊文濤,李志遠

吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院,長春 130118

當代建筑以外型展現(xiàn)文化風格,以平面形態(tài)體現(xiàn)使用功能.復雜建筑外型以實體的空間形態(tài)和平面造型的形式表現(xiàn)出來[1],或是建筑物本身占地面積較大,高度可達數(shù)百米;或是建筑外型具有曲面、傾斜等藝術(shù)效果的構(gòu)造;或是表面材質(zhì)類型多樣,具有顏色、粗糙度及光學性質(zhì)的不同等特征.地面三維激光掃描技術(shù)(Terrestrial 3D laser scanning,簡寫TLS)是以激光測距方式獲取點位坐標等信息的高新測繪技術(shù)[2-3].與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比,它可以深入到復雜的現(xiàn)場環(huán)境空間中,對各種大型的、復雜的、不規(guī)則、非標準的建筑實體或建筑平面形態(tài)進行掃描,從而快速完整地獲取復雜外型建筑物的三維點云信息[4-5].近幾年,基于TLS的建筑物測繪方法普及較快,對于復雜外型建筑物的測量方法研究也逐漸受到重視[6-8].鄭德華等[9]人從儀器誤差、與目標物體反射面有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件影響3個方面分析了三維激光掃描系統(tǒng)誤差影響;邢漢發(fā)等[10]人證明了三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)復雜建筑物測量中具有較好的應用前景;張平等[11]人以重慶市超高層塔樓工程為實例研究了三維激光掃描技術(shù)的異型建筑物建筑面積竣工測量的作業(yè)方法.本文主要從采用TLS掃測建筑物外型過程中形成的距離偏差入手,在研究中忽略建筑物外立面材質(zhì)和粗糙程度的影響,從外業(yè)作業(yè)過程中涉及的掃測距離和掃測傾角等因素出發(fā),推導出距離偏差相關(guān)公式,并將與其相關(guān)因素結(jié)合進行實驗分析,力求獲得高精度建筑物點云數(shù)據(jù)的經(jīng)驗和方法.

1 建筑物外型反射面構(gòu)成

建筑物外型平面形態(tài)劃分為基本構(gòu)成單元,有以下兩種構(gòu)成單元形態(tài),如圖1所示.

(a) 水平或垂直單元 (b) 傾斜單元

復雜外型建筑物雖然形態(tài)各異,但都可以選擇圖1所示基本構(gòu)成單元通過重復、漸變、扭曲、拉伸、旋轉(zhuǎn)等各種方式構(gòu)造而成.在應用地面三維激光掃描儀對建筑物外型進行掃測時,雖然建筑物形態(tài)各異,但在激光掃測過程中只針對建筑物外型平面形態(tài)基本構(gòu)成單元,因此在某時刻的建筑物反射面也同樣有以上兩種狀態(tài)單元,即水平或垂直狀態(tài)單元和傾斜狀態(tài)單元.

2 建筑物外型TLS掃測距離偏差

在地面三維激光掃描裝置中,令激光發(fā)射孔徑為q,激光光束發(fā)散角為φ,激光發(fā)射點到建筑物反射表面上激光腳點中心之間的距離為D,通常也稱D為掃測距離,激光照射到建筑物反射面上會產(chǎn)生激光光斑.

2.1 建筑物反射面豎直時

當激光光束垂直入射時,激光光斑為圓形,直徑為p,圓形激光光斑面積為S,如圖2所示.則:

圖2 無傾斜角度時TLS的掃描距離

(1)

圓形激光光斑半徑:

(2)

激光光斑面積:

(3)

2.2 建筑物反射面傾斜時

圖3 有傾斜角度時TLS的掃描距離偏差

在直角三角形△ONM中,

(4)

ΔD是由于建筑物反射面傾斜造成的激光發(fā)射點到建筑物反射表面上激光腳點中心之間的距離偏移差.

(5)

(6)

(7)

根據(jù)地面三維激光掃描儀測量原理,不論是相位式還是脈沖式,對獲取建筑物反射面點云位置精度都會產(chǎn)生影響.從公式(6)可以看出,距離偏移差ΔD與掃測距離D、激光光束與反射面法線夾角θ及激光光束發(fā)散角φ有關(guān),即掃測距離越長、激光光束與反射面法線夾角越大、激光光束發(fā)散角越大,距離偏移差ΔD就越大,反之則越小.

3 實驗方案設(shè)計與掃測

實驗選用德國Z+F image 5010C、美國Trimble TX8和瑞士Leica P30/40這3種當前流行的地面三維激光掃描儀,以不同的掃測距離和掃測傾角對建筑物表面進行掃測.

3.1 實驗場地

制作50 cm×50 cm水泥面展板,展板支架底部到展板中心高度為1.5 m,厚度約為1 cm.在展板中心制作半徑為1 cm的圓形標靶,顏色暫時設(shè)置為白色,標靶中心設(shè)置為紅色,展板可沿豎軸轉(zhuǎn)動,用以形成不同的傾斜角度.

在室外設(shè)置一條基線AB,該基線光線良好、地勢平坦、受風等外界環(huán)境影響較小.將水泥面展板安置在點A上,然后距離A點沿基線方向精確丈量水平距離5 m處確定地面點為5號點;距離A點沿基線方向精確丈量水平距離10 m處確定10號點;同理依次確定20號點,30號點,40號點,50號點.

3.2 掃測

首先將瑞士Leica P30/40安置在測站5點上,水泥面展板與激光光束垂直,沒有任何傾斜角度,掃測水泥面展板標靶.之后將水泥面展板傾斜15°,30°,45°,60°和75°,分別進行掃測.然后將Leica P30/40安置在測站10點上,完成傾斜角度為0°,15°,30°,45°,60°和75°的掃測, 依此類推至測站20點,30點,40點和50點.同理,再采用德國Z+F image 5010C和美國 Trimble TX8進行上述的掃測過程.將掃測點云數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,提取標靶中心坐標.

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 距離偏移差計算

表1 不同掃測距離和掃測傾角的理論距離偏移差

4.2 實測距離偏移差計算

4.2.1 計算原理

地面三維激光掃描儀測站與展板標靶中心的理論水平距離為Di(i=5,10,20,30,40,50),令D5=5 m,D10=10 m,D20=20 m,D30=30 m,D40=40 m,D50=50 m.令掃描測站坐標為(Xi,Yi,1.500)(i=5,10,20,30,40,50),即每次架設(shè)掃描儀時的儀器高度等于1.500 m.TLS在每個測站掃描展板標靶均在同一個坐標系統(tǒng)內(nèi),提取中心點坐標為(Xij,Yij,Zij)(i或j=5,10,20,30,40,50),則實測掃描測站與A點的水平距離:

(8)

采用不同品牌類型TLS實測得到每個掃描測站與展板標靶中心的距離差ΔDi為:

(9)

在提取標靶中心坐標時,精度控制在一個像元單位內(nèi),盡可能減少提取誤差精度.

4.2.2 實測距離偏移差

由于篇幅所限,本文只顯示采用瑞士Leica P30/40地面三維激光掃描儀掃測計算的距離偏移差值見表2.這里需要指出的是通過點云數(shù)據(jù)提取標靶中心點坐標只能精確到毫米,毫米以下是估計得到的,此外對于表2的數(shù)據(jù)是計算得到的,不能代表地面三維激光掃描儀的掃測精度.

表2 瑞士Leica P30/40掃測計算距離偏移差

4.3 理論與實測距離偏移差之差計算

采用瑞士Leica P30/40地面三維激光掃描儀掃測計算理論距離偏移差值與實驗測得的距離偏移差值之差見表3.

表3 瑞士Leica P30/40理論距離偏移差值與實驗測得的距離偏移差值之差

4.4 實驗分析

(1) 從表1可以得出,隨著掃測距離和掃測傾角的增大,距離偏移差的理論值也將不斷增大.

(2) 從表2可以得出,采用地面三維激光掃描儀掃測計算的距離偏移差值也隨著掃測距離和掃測傾角的增大而增大.

(3) 從表3可以得出,采用地面三維激光掃描儀掃測計算的距離偏移差值與理論距離偏移差值也相差很小,影響在毫米級以下,如考慮到外業(yè)掃測與計算的因素影響,實際上基本沒有差別.在實測值與理論值之差中掃描距離為10 m時的差值最小,其次是5 m～10 m的差值次小,其后隨著距離的增加該差值將不斷增加.

5 結(jié)論

本文從TLS掃測建筑物外型過程中形成的距離偏差入手,推導出反射面傾斜時的距離偏差公式,設(shè)計不同的掃描距離和掃描傾角進行實驗,實驗驗證了推導公式的正確性,得出掃測距離偏差特性如下:

(1) 隨著掃描距離的增加,距離偏差ΔD的值將不斷增大.

(2) 隨著傾斜角度的增加,距離偏差ΔD的值將不斷增大,并且增大的速度也逐步加快.

(3) 無論掃描距離遠近,在傾斜角度超過60°時,距離偏差ΔD值急劇上升,當傾斜角度超過75°時,上升速度將更加劇烈.

(4) 建筑物反射面傾斜角度與距離偏差ΔD關(guān)系的曲線形狀基本保持不變,不受掃描距離遠近的影響,采用不同型號的三維激光掃描儀也對曲線形狀沒有影響.

在戶外掃測建筑物外型時,由于受到建筑物高度、場地和地形等限制,很難滿足掃測距離和掃測傾角都較為適宜的情況,這時就要綜合考慮這些因素對掃測距離偏差的影響.當掃測傾角大于75°,必須增大掃測距離來減小掃測傾角;當掃測傾角小于75°且大于60°,場地條件允許也應調(diào)整測距離來減小掃測傾角;當掃測距離大于50 m時,也可以通過調(diào)整掃測傾角來減少掃測距離,通過合理地選擇掃測距離和掃測傾角以提高或控制點位精度.