三維激光掃描在建筑物模型構建中的應用分析

■張琴琴

（廣東環境保護工程職業學院 廣東佛山528214）

三維激光掃描在建筑物模型構建中的應用分析

■張琴琴

（廣東環境保護工程職業學院 廣東佛山528214）

伴隨科技水平的不斷提高，三維激光掃描技術應運而生，極大了豐富了現代測繪技術，為測繪行業發展帶來新的曙光。由于三維激光掃描技術具有較多的優勢特點，比如說無接觸測量、精準度高、測量快速等，在行業間的運用越來越廣泛。本文主要以建筑物建模型構建為例，對三維激光掃描技術簡單概述，具體探討三維掃描技術在建筑物模型構建中的具體應用。

建筑物模型三維激光掃描點云數據實體模型三角網模型

隨著經濟和科技水平的不斷提高，測繪技術不斷推陳出新，三維激光掃描技術作為該領域的重大突破，在很多行業中得到了廣泛應用。由于三維激光掃描技術可以對各種建筑實體進行三維數據獲取，在建筑物模型構建中應用甚為普遍。較傳統建筑測量技術而言，該技術不僅測量速度快、精準度高，同時克服了建筑物長寬高測量局限，能夠及時獲得建筑為三維坐標，實現了建筑物三維模型的快速構建，對建筑行業的發展具有重大意義。

1　三維激光掃描原理分析

三維激光掃描技術的實現，主要是借助三維激光掃描儀，由于該儀器具有激光測距儀、數碼相機、反射棱鏡、傳動裝置等構造，能夠在很短的時間內對復雜結構進行全方位掃描，并獲得點云數據，經過數據處理后，實現對復雜結構的數字化再現。

在進行三維激光掃描時，對于建筑結構的原始數據觀測，主要是通過如下幾個步驟實現的：首先，激光脈沖信號由三維激光掃描儀發射，此時儀器內傳動裝置會驅動反射棱鏡進行轉動，控制激光脈沖信號的發射角度，從而使信息射向掃描點。在此過程中根據反射棱鏡的角度值能夠確定，分別設為α和θ，從而獲得激光脈沖信號在水平和垂直方向上的數值。其次，由于建筑物表面的漫反射，激光脈沖信號會返回發射點，根據脈沖的往返時間可以確定掃描點的觀測距離，此處設為S。最后，根據以上兩點可以獲得掃描點的坐標，同時根據掃描點點的反射強度差異，對反射點進行顏色配比。經過全方位掃描后，能夠快速獲得建筑物的點云圖。若采用內部坐標系統，三維激光掃描的點坐標計算公式如下[1]：

圖1　三維激光掃描測量原理圖

2　三維激光掃描運用于建筑物模型構建中的重要性

2.1為建筑維修施工提供依據

三維激光掃描技術精準度非常高，將其運用于建筑物模型構建中，能過對建筑變形進行分析，從而獲得準確的建筑變形數據，將變形數據與原模型進行比較，可以準確掌握建筑物變形情況，采取相應的措施進行建筑維修。

2.2促進了數字城市建設

三維激光掃描技術的出現，不僅是測繪技術的突破創新，更為城市建筑模型構建提供了全新方法，實現了建筑單點測量向多點測量的轉變。該技術在建筑模型構建中的運用，在豐富了建模方法的同時，作為現代技術手段促進了數字城市的進一步建設。

2.3有利于古建筑的檔案留存

我國歷史悠久，存留下來的古代建筑較多，要想實現對古建筑的檔案留存，需要對建筑進行測量，并構建建筑模型繪制建筑物圖形信息。若采用傳統的測繪技術，需要對借助大量人力物力，在建筑物周圍搭建腳手架等，通過竹竿、皮尺等工具，得到古建筑的測量信息，并在此基礎上進行人工繪圖等。該方法不僅對古建筑的損害較大，同時很多建筑結構信息不能詳細獲得，而采用三維激光掃描技術，能夠在不接觸建筑物的情況下，獲得全方位的建筑點云數據，并在計算機軟件中形成建筑物結構圖形，對于古建筑的檔案留存貢獻巨大[2]。

3　三維激光掃描技術在建筑物模型構建中的具體應用

3.1點云數據獲取

要想構建建筑模型，點云數據獲取是第一步，由于受到掃描場景、儀器視場角等條件限制，難以實現點云數據的一次完整獲得，基于此，應根據建筑物的場景因素，從多角度進行三維激光掃描。首先，確定建筑物的位置坐標，通過布設控制網對測站點和標靶等進行大地坐標測量，明確建筑的大地位置。其次，根據建筑物的特征情況，比如說建筑的不規則程度、具體占地面積等要素，制定不同的點云數據獲取方案，確定測站點的數量和實際的位置等。最后，使用三維激光掃描儀器進行掃描時，為獲取更加精準的數據，儀器應架設在視野開闊的地方，確保無遮擋物體或者遮擋物較少。

3.2點云數據預處理

對點云數據進行預處理是提高點云數據質量的關鍵，也是三維激光掃描技術的重點環節。所謂點云數據預處理，即采用相關的濾波算法，對點云數據獲取中收集到的遮擋物體的點云數據進行過濾，或者將部分不必要的物體離散點過濾掉。比如說，在對建筑物進行三維激光掃描時，受到樹木、行人等影響，獲取的點云數據中將包含以上物體的數據或離散點，將物體的數據或離散點過濾的過程就是點云數據預處理過程。

當前，點云數據預處理的方式較多，但是受到技術水平限制，每種方法都尤其適用范圍的限制，在進行點云數據預處理過程中，應根據點云數據的具體情況進行分析，結合建筑物特有的結構特性，采用不同的預處理方法進行。將三維激光掃描技術運用于建筑物模型構建，由于建筑物具有的結構特點，往往多采用半自動濾波的方法進行點云數據預處理，該過程為先確定建筑物的點云范圍，再根據閥值設定將建筑物周圍噪聲和點云數據剔除，最后將無法自動過濾的噪聲人工剔除[3]。

3.3點云數據配準

點云數據配準是獲得完整點云數據的重要方式，是將多組點云數據轉換到同一坐標系下的方式。隨著科技水平的日益進步，點云數據配準方式日漸完善，主要分為兩種配準方法，現對這兩種方法進行具體分析。

第一，最近點迭代配準。該種配準方式需要將一組點云數據給定，通過在這組數據中進行搜索，確定到另一組點云距離最近的點，并計算該最近距離，將兩組點云轉換到同一坐標系下，在轉換過程中需要對轉換參數進行求解，主要就是通過反復迭代的方式進行，所以該種方式運算量較大，若點云數據龐大時，不僅迭代計算工作量大，同時也將無法準確保證計算精準度。

第二，基于控制點配準。該種方法主要將控制點作為轉換的重要參數，該處控制點又稱為標靶，在進行點云數據獲取時往往會首先確定標靶，然后進行三維激光掃描，根據各標靶之間的坐標信息，建立統一的點云坐標。由于各控制點坐標都有對應的大地坐標，在進行數據配準時操作相對簡單，一般用于點云數據較大的情況下。

對建筑物進行點云數據獲取，由于得到的點云較多，且魅族數據也具有較多的點坐標，因此采用三維激光掃描技術進行建筑物模型構建時，對點云數據的配準主要采用基于控制點配準方法。但是，由于點云數據由多組點云拼接而成，往往其中會存在數據冗余、重疊等情況，因此在進行點云數據配準時，應對點云數據進行密度限定，若點云數據過稀，可能會缺失模型細節，應對距離閥值進一步調整；若點云數據過密，可能是數據出現重疊，應重新采集點云數據。

4　結語

綜上所述，三維激光掃描技術具有較多的優勢特點，在建筑物模型構建中發揮了重要的作用，不僅為建筑維修施工提供依據，還有利于古建筑的檔案留存，促進了數字城市建設等。但是三維激光掃描技術仍存在一定的缺陷，需要在今后加強該技術的研究，促進該技術的發展完善。

[1]劉偉,王愛軍.三維激光掃描技術在建筑物建模測量中的應用 [J].山西科技, 2012,05:95-96+99.

[2]黃承亮,向娟.三維激光掃描技術應用于建筑物建模的測量方法研究 [J].城市勘測, 2011,01:87-90.

[3]馬敏杰,楊洋,范愛平,楊容浩.復雜建筑物三維激光掃描與室內外精細建模 [J].測繪與空間地理信息,2015,01:111-113.

[4]朱慶偉,馬宇佼.基于三維激光掃描儀的建筑物建模應用研究 [J].地理與地理信息科學,2014,06:31-35.

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-220-1