建筑物測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用分析

摘要：目前，激光掃描技術(shù)獲得了新的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。文章首先介紹了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理，而后對數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模過程進(jìn)行了介紹，最后對建筑物測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討，這對于提升建筑工程的測量質(zhì)量意義重大。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；應(yīng)用原理；數(shù)據(jù)處理；建筑物測量；數(shù)據(jù)建模 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP274 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0172-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.083

近年來，在各種技術(shù)的支撐之下，激光掃描技術(shù)也獲得了新的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)的優(yōu)勢鮮明，能夠進(jìn)行各種復(fù)雜物體的掃描，并能夠克服各種復(fù)雜環(huán)境的限制。由于其典型的優(yōu)勢特征，目前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于工程測量、地圖測井、加工檢測等多種測量工作中。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)ㄖ锏娜S信息進(jìn)行快速掃描，并構(gòu)建出合理的三維建筑模型，這為后續(xù)建模過程中的數(shù)據(jù)處理提供了豐富的資源。下面，筆者將對建筑物測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行深入分析。

1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理介紹

三維激光掃描技術(shù)是新近才發(fā)展起來的，具有諸多優(yōu)勢，必然會(huì)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。三維建模方法通常有兩種：第一，基于圖像的方法；第二，基于幾何的方法。前者是通過照片或者圖片來建立模型的，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都來源于數(shù)碼相機(jī)；而基于幾何的方法則是通過激光掃描儀掃描所獲得的數(shù)據(jù)來建立合理的三維模型，是利用幾何信息進(jìn)行建模的。三維激光掃描儀的類型多樣，依據(jù)不同的掃描平臺(tái)劃分，有地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)以及機(jī)載激光掃描系統(tǒng)之分。而按照距離來分，三維激光掃描儀可以分為：長距離激光掃描儀，掃描距離在30米以上，該類儀器主要用于建筑物、礦山、大壩等的測量過程；中距離激光掃描儀的最長掃描距離小于30米，多用于室內(nèi)空間及大型模具的測量過程；短距離激光掃描儀，最長的掃描距離不會(huì)超過3米，而最佳的掃描距離在1.2米左右，多用于小型模具的測量，掃描的速度快且精度高。航空激光掃描儀的最長掃描距離大都在1000米以上，需要配備精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，適用于大范圍地形的掃描測量工作。

三維激光掃描技術(shù)的主要作用對象是高速三維掃描儀，該設(shè)備充分運(yùn)用激光掃描技術(shù)便可以在短短幾分鐘之內(nèi)產(chǎn)生詳細(xì)的三維圖像。由于擁有觸摸操作屏，激光掃描儀能夠靈活地進(jìn)行掃描，獲得完善的掃描參數(shù)。從構(gòu)造方面來說，三維激光掃描儀中配有一臺(tái)高速精確的激光測距儀、可以均勻角度掃描的發(fā)射棱鏡和數(shù)碼相機(jī)，能夠直接獲得物體的整體影像，并完成對物體的全方位掃描。掃描完成之后，設(shè)備會(huì)對相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從原始數(shù)據(jù)方面來說，三維激光掃描儀可以掃描到三類數(shù)據(jù)：掃描儀通過變動(dòng)鏡子的角度反射不同的脈沖激光；根據(jù)三維激光掃描儀器激光傳播時(shí)間的不同，設(shè)定具體的位置，之后利用激光束的垂直及水平方向角得到儀器相對于掃描電的空間坐標(biāo)。當(dāng)然，這個(gè)坐標(biāo)信息也是相對的。由于三維激光掃描的反射強(qiáng)度不同得到的數(shù)據(jù)不同。工作人員可以利用三維激光掃描儀的掃描點(diǎn)不同的反射強(qiáng)度匹配不同的色彩，并以此計(jì)算出某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并用（x，y，z，反射強(qiáng)度）來表示。由上述三類數(shù)據(jù)可以看出，三維激光掃描儀技術(shù)的應(yīng)用過程也就是數(shù)據(jù)信息與處理的過程，并形成空間坐標(biāo)明確掃描物體與掃描點(diǎn)的具體方向關(guān)系。總之，要保證掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，就要選擇相應(yīng)類型的掃描儀，并保證該儀器在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用；要明確掃描對象的典型特征，明確需要通過掃描獲得的數(shù)據(jù)信息，從而合理應(yīng)用激光掃描儀。

2 建筑物測量中三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理

正如上文所提到的，三維激光掃描技術(shù)的處理過程實(shí)際上是數(shù)據(jù)處理的過程。通過這個(gè)過程，目標(biāo)位的數(shù)字模型也就建立起來。三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理工作主要通過兩個(gè)步驟進(jìn)行：掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品。下面筆者將對三維激光掃描儀的掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品形成這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入介紹：

掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作內(nèi)容相對寬泛，包括地理參考、坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)分割以及數(shù)據(jù)濾波等多個(gè)方面，也是直接在點(diǎn)云層面上進(jìn)行操作。第一，地理參考的過程就是將三維激光掃描儀坐標(biāo)下的云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到不同的點(diǎn)云子集中，從而形成不同的曲面形式；第二，坐標(biāo)糾正就是在三維激光掃描技術(shù)的掃描區(qū)域內(nèi)設(shè)置不同的控制點(diǎn)，而同一區(qū)域內(nèi)會(huì)包含多個(gè)同名的控制點(diǎn)。這些同名控制點(diǎn)就可以將不同的位置掃描到同一個(gè)坐標(biāo)下；第三，數(shù)據(jù)濾波是濾出數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，保持?jǐn)?shù)據(jù)的“純

凈度”。

就目前來說，要發(fā)揮三維激光掃描儀的功能，就要合理充分應(yīng)用各個(gè)控制軟件，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)?？刂栖浖闹饕饔檬菐椭鷴呙鑳x采集數(shù)據(jù)，并及時(shí)地給予相應(yīng)處理，而各種處理技術(shù)則是由第三方廠商提供，主要是進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。得到數(shù)據(jù)之后，就要進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是其中最重要的部分。點(diǎn)云處理主要包括四個(gè)步驟：去除噪聲；多視對齊；精簡數(shù)據(jù)；重構(gòu)曲面。第一，去除噪聲就是指去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中掃描對象之外的數(shù)據(jù)，包括某些環(huán)境因素，如移動(dòng)車輛等；第二，多視對齊，就是指從不同的位置和多個(gè)視角對建筑物進(jìn)行多彩掃描，要在物體表面布設(shè)同名控制點(diǎn)，保證點(diǎn)云對齊的過程；第三，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡是在不影響曲面重構(gòu)和精度的情況下精簡數(shù)據(jù)，可以根據(jù)距離精簡，也可以平均精簡；第四，曲面重構(gòu)就是將掃描儀獲得的數(shù)據(jù)信息用曲面表現(xiàn)出來，從而將掃描對象的真實(shí)情況盡可能還原，如三角形網(wǎng)格、參數(shù)曲面等。通過以上步驟，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理基本完成。綜上所述，數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵部分，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后才能形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 建筑物測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3.1 控制網(wǎng)的布設(shè)

三維激光掃描技術(shù)在建筑物建模測量中的應(yīng)用中最關(guān)鍵的內(nèi)容就是布設(shè)觀測控制網(wǎng)。要嚴(yán)格按照三維激光掃描儀的掃描要求，選擇合理的控制網(wǎng)布設(shè)方法，合理布設(shè)各個(gè)控制網(wǎng)的位置：第一，從精度上來說，控制網(wǎng)的精度不得低于建筑物建模的精度；第二，從網(wǎng)型上來說，控制網(wǎng)的形狀必須合理，從而保證掃描儀能獲得完整的數(shù)據(jù)信息；第三，從相鄰控制點(diǎn)的架設(shè)要求方面來說，要保證控制點(diǎn)的通視良好，保證掃描過程順利進(jìn)行；第四，從距離方面來說，控制點(diǎn)與被測物體之間應(yīng)保持50米之內(nèi)的距離，從而保證檢測精度?？傊?，在控制網(wǎng)布設(shè)的過程中，要努力遵循以上原則。而根據(jù)建筑物形狀的不同，我們可以采用不同的控制網(wǎng)布設(shè)方案，目前來說，方案共有兩種：第一，四面控制網(wǎng)布設(shè)法。該種方法適用于建筑物的長寬較大的情況，可以很好地對整面墻體進(jìn)行掃描。工作人員可以在建筑物的四個(gè)角上設(shè)置控制點(diǎn)，使得兩面墻體都能夠被掃描到。多個(gè)角度掃描，同一個(gè)墻體就會(huì)被掃描多次，點(diǎn)云密度增加。這樣一來，建筑物建模的精確度也會(huì)大大提高[如圖1（a）]；第二，當(dāng)建筑物的長寬相對較小時(shí)，就可以采用圖1（b）布設(shè)方案。該種布設(shè)方案的掃描效果更為理想，并且能夠大大節(jié)省檢測時(shí)間，提高工作效率。

被測物體的夾角與掃描點(diǎn)精度之間存在密切關(guān)系，這也是長期工作實(shí)踐的結(jié)果。如果夾角越小，精度越高。而通過上述兩種方案，我們可以知道，定向邊與被測墻體的夾角基本上都在45度之內(nèi)，掃描點(diǎn)的精度還是相當(dāng)高的。完成控網(wǎng)布設(shè)之后，工作人員可以采用較高精度的全站儀來測量建筑物的坐標(biāo)，從而獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。如果控制點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，就要在兩個(gè)控制點(diǎn)之間增加一個(gè)控制點(diǎn)，使得測量的精確度進(jìn)一步提高。

3.2 三維激光掃描的觀測方法

要保證三維激光掃描儀的掃描效果，工作人員要做好以下四個(gè)方面的工作：第一，先選定一個(gè)控制點(diǎn)，然后在這個(gè)控制點(diǎn)上架設(shè)激光掃描儀。掃描儀要確保對中整平，并用各種數(shù)據(jù)線連接起來；第二，要將相鄰控制點(diǎn)的距離設(shè)定在100米之內(nèi)，50米左右最為合理，并保證標(biāo)靶整平對齊；第三，要開啟激光掃描儀的控制性軟件，然后對準(zhǔn)標(biāo)靶進(jìn)行認(rèn)真掃描，掃描完成獲得定向邊的相關(guān)三維數(shù)據(jù)；之后，再次進(jìn)行掃描，明確建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；要重復(fù)掃描，確保數(shù)據(jù)精確合理；第四，要檢查建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否齊全，明確是否存在遺漏或者掃描效果不好的區(qū)域。如發(fā)現(xiàn)問題，必須進(jìn)行再次掃描，從而確保數(shù)據(jù)安全可靠。在數(shù)據(jù)采集結(jié)束之后，就要將測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。要保證采集到的數(shù)據(jù)合理，就要合理設(shè)置三維激光掃描儀的相應(yīng)參數(shù)，避免影響掃描結(jié)果?？傊?，在技術(shù)應(yīng)用過程中，工作人員要注意協(xié)調(diào)各方面的因素，數(shù)據(jù)掃描、分析以及建模工作等。

總之，建筑物測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)相對復(fù)雜的過程，需要進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)、需要采用合理的觀測方法。工作人員要從建筑物的實(shí)際情況出發(fā)，合理應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，確保掃描的精確度。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)可以快速掃描被測物體，不需要反射棱鏡便可以獲得高精度的掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)，在我國城市規(guī)劃、土木工程、工業(yè)測量等領(lǐng)域應(yīng)用較多。同時(shí)，三維激光掃描儀在復(fù)雜地形地貌的建筑物建模方面優(yōu)勢明顯，具有廣泛的發(fā)展前景。由于各種主客觀限制性因素的影響，我國建筑物測量中三維激光掃描儀器的應(yīng)用還存在很多不完善之處。未來相關(guān)工作人員應(yīng)該加快研究工作，努力拓寬三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍，提升技術(shù)的使用效率及效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 查燕萍，龍北平.三維激光掃描技術(shù)在萬壽宮古建筑群測量中的應(yīng)用[J].江西煤炭科技，2015，（7）.

[2] 高秋玲.三維激光掃描技術(shù)在異形建筑房產(chǎn)測量中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016，（9）.

[3] 黃承亮，向娟.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測量方法研究[J].城市勘測，2011，（11）.

[4] 陳玉婷.三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016，（8）.

[5] 周華偉，朱大明，瞿華鎣.三維激光掃描技術(shù)與GIS在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用[J].工程勘察，2011，（6）.

作者簡介：唐景全（1971-），男，廣東佛山人，佛山市三水國盛測繪有限公司測繪工程師。

（責(zé)任編輯：小 燕）