激光掃描技術(shù)在高層建筑物測(cè)繪建模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

摘" 要：在現(xiàn)代高層建筑測(cè)繪建模需求下，激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)具備顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，精度高、速度快，并且可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)繪等，因此在測(cè)繪領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。激光掃描技術(shù)在城市高層建筑物測(cè)繪建模中的應(yīng)用，不但可以自動(dòng)、連續(xù)以及密集獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)在高精度高層建筑物測(cè)繪建模中也具備一定應(yīng)用可行性和有效性，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：激光掃描技術(shù)" 城市" 高層建筑物" 測(cè)繪建模設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：P258

Application of Laser Scanning Technology in Surveying Modeling and Design of High- Rrise Buildings

YE Zhengzhen

Gansu Agricultural Vocational and Technical College of Agricultural， Lanzhou， Gansu Province， 730030 China

Abstract： Under the demand for modern high-rise building surveying and modelingAs a new technology， laser scanning technology has been widely used in the field of surveying and mapping because of its significant application advantages as a new technology， with， such as high precision， fast speed， and the ability to achieve non-contact surveying and mapping. Therefore， it has been widely used in the field of surveying and mapping. The application of laser scanning technology in urban high-rise building surveying and modeling not only enables automatic， continuous， and intensive acquisition of relevant data， but also has certain feasibility and effectiveness in high-precision high-rise building surveying and modeling， and has certain application value.

Key Wwords： Laser scanning technology; City; High-rise building; Mapping Surveying modeling design

激光掃描技術(shù)被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，在其應(yīng)用中可以和被測(cè)目標(biāo)不接觸，通過(guò)發(fā)射激光光源，掃描被測(cè)目標(biāo)后獲取相關(guān)三維數(shù)據(jù)，即可以通過(guò)這些數(shù)據(jù)建構(gòu)目標(biāo)物模型，主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在建模速度快、主動(dòng)性強(qiáng)，同時(shí)還具備比較高的精度^[1]。所以，在測(cè)繪領(lǐng)域中，激光掃描技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)測(cè)繪專業(yè)也通過(guò)這一技術(shù)的應(yīng)用，顯著提升了外業(yè)工作效率，能夠借助于豐富的數(shù)據(jù)支持提升測(cè)繪準(zhǔn)確度，因此可以將此技術(shù)看成是測(cè)繪領(lǐng)域創(chuàng)新技術(shù)之一^[2]。本文結(jié)合具體案例，分析城市高層建筑物測(cè)繪建模中的激光掃描技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。

1" 研究案例和數(shù)據(jù)采集

1.1" 工程概況

本次研究選取某城市一棟高層建筑作為研究對(duì)象，對(duì)其實(shí)施一體式掃描。整個(gè)建筑外形設(shè)計(jì)現(xiàn)代時(shí)尚，具有線條美。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要包括兩部分，分別為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

1.2" 作業(yè)流程

激光掃描技術(shù)在城市高層建筑物建模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，基本作業(yè)流程如圖1所示。從圖中可以看出，在完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，即可以實(shí)施內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，基于相關(guān)數(shù)據(jù)完成實(shí)體建模，最后實(shí)施模型優(yōu)化，完成相應(yīng)的建模設(shè)計(jì)。

1.3" 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次激光掃描選擇的是Leica Scan Station P40三維激光掃描系統(tǒng)，主要是該系統(tǒng)能夠迅速完成掃描，掃描速度最高能夠達(dá)到1 000 000點(diǎn)/s，最高點(diǎn)密度為2 mm/10 m，并且掃描精度高，點(diǎn)位精度能夠達(dá)到毫米級(jí)別。在這一掃描儀機(jī)身上配置有自動(dòng)調(diào)教數(shù)碼相機(jī)，不但可以實(shí)施激光掃描，也可以同時(shí)拍攝高清照片，可以在模型建構(gòu)中作為數(shù)據(jù)紋理貼圖。該系統(tǒng)上也配置有專業(yè)點(diǎn)云后處理軟件，所掃描的數(shù)據(jù)能夠迅速實(shí)施處理，完成三維模型建構(gòu)。

在數(shù)據(jù)采集中，因?yàn)闇y(cè)繪目標(biāo)物為高層建筑，隨著樓層的逐步增加會(huì)進(jìn)一步提升掃描采集數(shù)據(jù)復(fù)雜度，因此，在得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)集前，需要調(diào)查分析建筑物周圍環(huán)境與植物分布，采用站點(diǎn)遠(yuǎn)近結(jié)合安裝方式，合理設(shè)置掃描站點(diǎn)，詳情如[ 3]"圖2所示。

通過(guò)圖[ 5]"[A6]"2可以看出，這一建筑物在激光掃描中，共設(shè)置14個(gè)站點(diǎn)，并呈現(xiàn)出遠(yuǎn)近配合分布，近處站點(diǎn)主要是掃描建筑物底部，遠(yuǎn)處站點(diǎn)主要是掃描建筑物整體情況，以此獲取相應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集。

1.4" 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1.4.1" 數(shù)據(jù)預(yù)處理

完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中通常會(huì)存在有噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)的空間分布不同，相應(yīng)的處理方式也有所不同，因此，需要先對(duì)其實(shí)施分類處理。噪聲點(diǎn)類型主要為：漂移點(diǎn)，此類型噪聲點(diǎn)和主體點(diǎn)云之間的距離比較遠(yuǎn)，并且呈現(xiàn)出分散、稀疏形態(tài)，多集中在點(diǎn)云上方；冗余點(diǎn)，即為本身這些點(diǎn)云并不在預(yù)定范圍內(nèi)；混雜點(diǎn)，即為和目標(biāo)點(diǎn)云相互摻雜，區(qū)分難度較大^[3]。

在針對(duì)不同類型點(diǎn)云噪聲點(diǎn)處理中，需結(jié)合其具體分布特性實(shí)施處理。本次處理中，針對(duì)噪聲點(diǎn)直接采用系統(tǒng)框選功能實(shí)施處理，精準(zhǔn)框出，并對(duì)其實(shí)施可視化交互操作，篩選出漂移點(diǎn)、冗余點(diǎn)，完成后剔除即可；混雜點(diǎn)在處理中則存在一定難度，可以在曲面去噪算法的應(yīng)用下實(shí)施處理，以便于去除這一類型噪聲點(diǎn)。

1.4.2" 點(diǎn)云重采樣

若在點(diǎn)云處理中數(shù)據(jù)量比較大，相應(yīng)的處理工作需要消耗大量的計(jì)算機(jī)資源，同時(shí)處理速度也直接受到軟件運(yùn)行和工作效率的影響。因此，為能夠應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題，可以在數(shù)據(jù)處理中實(shí)施點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣，以確保實(shí)現(xiàn)對(duì)重要信息的有效保留，同時(shí)顯著減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量。此過(guò)程中，必須要嚴(yán)格遵循相應(yīng)的模型建構(gòu)條件，依照相關(guān)規(guī)定最大化縮短數(shù)據(jù)處理中的誤差，基于此，確定最小采樣率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而才能夠確保完成點(diǎn)云重采樣后，不但能夠有效體現(xiàn)原始點(diǎn)云幾何特征，也可以降低計(jì)算機(jī)資源消耗量，提升工作效率。在此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，本次針對(duì)原始點(diǎn)云實(shí)施重采樣，采樣率為25%，顯著縮短了點(diǎn)數(shù)量。

2" 模型設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

2.1" 模型設(shè)計(jì)

在模型設(shè)計(jì)中，若建筑物外觀形態(tài)比較規(guī)則，不具備特殊性，建模主要是應(yīng)用特征線（目標(biāo)物的邊界線、輪廓線等，均可以作為特征線），通過(guò)提取這些建筑物的特征線，即可以在三維點(diǎn)云的應(yīng)用下有效復(fù)原建筑目標(biāo)物的基本結(jié)構(gòu)圖。在提取建筑物特征線過(guò)程中，主要方式有以下幾種。

[A7]"第一，特征點(diǎn)擬合法。該方法是通過(guò)三維點(diǎn)云模型提取目標(biāo)物的特征點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行擬合，從而獲取建筑目標(biāo)物的特征線。第二，切片法。該方法先要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物切平面的定義，進(jìn)而一一提取其中的某高度區(qū)間點(diǎn)云，可以發(fā)現(xiàn)所提取的點(diǎn)云就像是連成串呈現(xiàn)出密集狀態(tài)的碎部點(diǎn)，和目標(biāo)建筑物的取舍原則相結(jié)合，一一所獲取的特征點(diǎn)，即可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)物的特征線^[4]。第三，投影法。該方法先要對(duì)這一建筑目標(biāo)物實(shí)施不同投影面定義，簡(jiǎn)而言之，就是將三維點(diǎn)云模型在二維平面上實(shí)施投影，從而繪制出相應(yīng)的目標(biāo)物特征線，主要是在建筑物立面圖繪制中較為適用。

本次研究完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，則可以在這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用下實(shí)施建筑物建模設(shè)計(jì)。此過(guò)程中，一般是借助專用軟件進(jìn)行處理，建筑物特征的提取方法主要為曲率、法向量法。本次研究中綜合應(yīng)用以上3種特征線提取方式，在Thimble Realwarks軟件的應(yīng)用下，提取特征線，在完成特征線提取工作后，在系統(tǒng)上完成相應(yīng)的建筑物模型建構(gòu)。在這一目標(biāo)物內(nèi)部存在有花壇等獨(dú)立構(gòu)件，需要分別提取這些構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且對(duì)其實(shí)施詳細(xì)建模。完成后，即可以將這些單獨(dú)構(gòu)件的單體模型在主框架中整合。注意，在模型建構(gòu)中，要采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系，確保最終完成的三維模型完整性。

2.2" 模型優(yōu)化

為能夠進(jìn)一步提升模型逼真性，還需要針對(duì)目標(biāo)物紋理實(shí)施映射，以能夠在三維模型上增加紋理，將三維模型建構(gòu)成為具備紋理屬性的模型^[5]。在這一工作中，可以在激光掃描相機(jī)的應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑目標(biāo)物實(shí)際紋理的拍攝，并將其保存在系統(tǒng)中，在應(yīng)用這些拍攝圖片的時(shí)候需要考慮到可能存在拍攝變形問(wèn)題，必須要提前針對(duì)圖片實(shí)施校正處理，成功將這些圖片轉(zhuǎn)變成為正視圖后可以使用。另外，為保障模型真實(shí)性，還需要精確校正目標(biāo)物紋理圖，并且將其導(dǎo)入軟件中。結(jié)合軟件中的功能，可以完成相關(guān)紋理圖的編輯以及調(diào)整工作，進(jìn)而有效保障紋理貼圖能夠有效契合目標(biāo)物實(shí)際外觀。為確?？梢匀〉昧己玫囊曈X(jué)效果，也可以借助3ds Max針對(duì)所建構(gòu)實(shí)施紋理貼圖或三維渲染，以能夠完成模型的高級(jí)渲染，以能夠確保所建構(gòu)的建筑物模型更加逼真。

3" 效果評(píng)估

在以上相關(guān)流程操作完成后，完成了這一高層建筑的模型建構(gòu)，詳情見(jiàn)圖3。從圖中可以看出，在激光掃描技術(shù)的應(yīng)用下，可以準(zhǔn)確獲取建筑目標(biāo)物的相關(guān)特征及其數(shù)據(jù)信息，完成相應(yīng)的數(shù)字化模型建構(gòu)。

4" 研究分析

通過(guò)以上案例分析可以看出，激光掃描技術(shù)在高層建筑物建模中的應(yīng)用，相關(guān)流程為通過(guò)所設(shè)置的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取建筑物的云數(shù)據(jù)，之后針對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)處理，為節(jié)約工作時(shí)間，也可以實(shí)施點(diǎn)云重采樣。完成數(shù)據(jù)處理后，可以結(jié)合實(shí)際需求采用特征點(diǎn)擬合法、切片法或者投影法完成相應(yīng)的模型建構(gòu)，同時(shí)也可以結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行模型優(yōu)化，讓所建構(gòu)的模型更具有逼真性。在此技術(shù)的應(yīng)用下，不但可以準(zhǔn)確獲取建筑物的特征信息，同時(shí)也可以取得良好的渲染效果與建模效率，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

5" 結(jié)語(yǔ)

在本次研究中，通過(guò)地面三維激光掃描測(cè)量?jī)x的應(yīng)用，針對(duì)需要建模的建筑目標(biāo)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)完成掃描工作，在這一技術(shù)支持下不但獲取了目標(biāo)物的基礎(chǔ)空間位置信息，也得到了相應(yīng)的紋理信息。本次研究中，充分證實(shí)了激光掃描技術(shù)在城市高層建筑物建模設(shè)計(jì)中具備一定有效性和可行性，未來(lái)還需要積極探索激光掃描技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向，進(jìn)而顯著提升高層建筑的建模效率。

參考文獻(xiàn)

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