地面三維激光掃描技術在復雜外型建筑物空間信息獲取中的應用

林俊辰　張濤

[摘要]地面三維激光掃描技術因其非接觸式高精度海量地獲取目標物的三維坐標點云數據，為復雜外型建筑物空間信息獲取提供了新方法。本文詳細闡述利用地面三維激光掃描技術進行復雜外型建筑物空間信息獲取的外業與內業流程及其關鍵技術，并通過試驗驗證所獲取的空間信息點位精度可靠。

[關鍵詞]地面三維激光掃描技術；點云數據；復雜外型建筑物

0引言

地面三維激光掃描技術是一種以激光測距方式快速獲取大量測點三維坐標的測量技術，能夠克服傳統測量技術的局限性，獲取更加全面的建筑物信息，實現測繪成果數字化，對于建筑物的三維重建及變形監測都具有重要意義。通過獲取建筑物點云數據，可以進行建筑物的三維重建、虛擬現實以及進行建筑物變形觀測等，為城市規劃設計和管理提供科學基礎。我國基于地面三維激光掃描技術的建筑物測繪方法普及較快，但主要針對建筑物表面的單一結構。近幾年對于復雜外型的建筑物的測量方法研究也逐漸受到重視，建筑外型幾何結構多變、變化的光照條件、復雜地形以及不規則未知遮擋物等問題都成為新的研究熱點。

1傳統城市建筑物空間信息獲取技術

1.1全站儀獲取技術

全站儀是現今較多使用的基本測繪儀器，它能夠對一般建筑物進行距離測量和角度測量，從而獲取建筑的空間坐標等信息，能夠保證一定的測繪速度，測繪精度也高。但對于高層特別是超高層建筑物，全站儀受城市空間地形的限制，多數不能瞄準到待測量點位，即使不斷變換測量站點也很難瞄準到待測量點位，而且全站儀獲取到的建筑物空間信息沒有色彩紋理等建筑圖像概念。

1.2GNSS獲取技術

傳統GNSS技術可以直接得到建筑物目標在大地坐標系中的位置，GNSS原理簡單，操作方便，在高層建筑物變形監測中比傳統測量方法優勢顯著。GNSS測量對目標的形狀、格局并沒有特殊要求，尤其不怕樹木的遮擋，適用于林木茂密地區，但其測量條件是人員可達，需要人員到達每一個點位進行“接觸式”測量，速度慢，效率較低，信號容易受到遮擋，一般不用于室內。因此，GNSS適用的目標多為大尺度、細節變化少的目標，所以用它來測繪建筑細部，效率比較低，也不夠精確。

1.3攝影測量技術

攝影測量主要是在像片上進行量測，獲取大量復雜的幾何信息與表面紋理信息，無需接觸建筑物本身，較少受自然和地理條件限制。攝影測量從模擬攝影測量開始，經過解析攝影測量階段，現已進入數字攝影測量時代。多基線攝影測量采用短基線、多影像攝影測量原理，欲利用現有的非量測數碼相機，按要求拍攝大量具有較短基線和不同交會角的序列影像，然后將少量全站儀測量的高精度點位坐標與攝影測量豐富的影像信息結合起來，獲取大量同名點的空間坐標并建立高精度的數字化模型。

2地面三維激光掃描技術

地面三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取地形及復雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數據。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統和激光掃描系統，同時也集成CCD、儀器內部控制和校正系統等。在儀器通過兩個同步反射鏡快速而有序的旋轉，將激光脈沖發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域，測量每個激光脈沖從發出經被測物表面再返回儀器所經過的時間（或者相位差）來計算距離。

3基于地面三維激光掃描技術的復雜外型建筑空間信息獲取

地面三維激光掃描技術獲取城市復雜外型建筑物空間信息工作流程大致分為掃描方案設計、外業數據采集和內業數據處理三部分。

3.1掃描方案設計

首先整體踏勘現場，收集數據資料，包括控制點、點位圖、作業時間段等信息，根據現場條件和建筑物整體外形特點確定一條合理的掃描路線；合理布設掃描視點位置，對于一個單體獨立的建筑物設置掃描測站4～6站為最佳，掃描儀距離建筑物10～20米較為適宜；地面三維激光掃描儀的采樣密度間隔根據工程項目精度要求設定；設備方面保證有充足的電源，足夠數量的標靶球或標靶板；人員方面確定好運輸設備、操作儀器、布設標靶等分工。

3.2外業數據采集

為了減少采集原始點云數據及其拼接的誤差，有效控制地面三維激光掃描儀累計誤差，通常采用架設全站儀測量多個掃描視點坐標的方法，并盡可能選擇較少的視點位置掃描完成外業數據采集工作。在掃描過程中相鄰兩站之間需要保證一定的重疊度，每站必須要有三個控制標靶重合以滿足點云的拼接；要保證掃描建筑物數據的完整性，對于復雜結構建筑掃描時，可以加密部分站點。隨著地面三維激光掃描儀的不斷發展，利用掃描儀內部集成的數碼相機獲取建筑物的影像和標靶的影像，這些影像反差低、色彩逼真、細節層次明顯，完全能夠滿足后續點云處理和紋理貼圖的需要。

3.3內業數據處理

3.3.1點云數據去噪濾波

對獲取的點云數據進行地物分離，提取建筑物數據。將掃描視場范圍內的其他無關物體的點云數據濾波去掉，清除周圍的噪聲數據，從而減少數據量，簡化處理難度。

3.3.2點云數據配準

在掃描過程中，每次得到的掃描點云數據都是獨立在當前視點下的一個局部坐標系內，為了將所有的掃描數據統一在一個坐標系下，就必須對掃描點云數據進行配準。可以采用基于標靶的拼接配準、基于特征點云的拼接配準、基于測站點的點云拼接配準等方法。

3.3.3點云數據網格化

經過配準融合后的建筑物點云數據是離散的，不能準確真實地表示建筑物的表面形狀，需要將這些點云數據轉化為三角網格等模型，根據點云的結構、點的分布等因素構建出以數據點為頂點的TIN三角形，以更好地逼近建筑物表面形狀。

3.3.4點云數據壓縮

經過去噪和濾波后剩余的有效點云數量也非常多，為縮減點云數量，加快點云處理速度，有必要采取一些方法，在保證失真較小的情形下，盡可能地保留原始點云的特征，最大限度地壓縮點云數據，刪除不必要的數據，只留下對后續處理和建模有用的凝縮數據。目前常用的方法主要為最小距離法、角度偏差法、距離一角度聯合與弦值法。

3.3.5特征提取

建筑物特征要素提取直接關系到模型的完美程度，可以對點云數據網格化，建立拓撲關系，從而進行邊界線提取；也可以從通過點云數據的距離信息、ccD影像等方法提取建筑物各個特征結構，如門、窗、陽臺等。

3.3.6三維建模

建筑物三維模型是基于點云模型構建的，對于大型建筑物進行建模時，要把建筑物的每一個構件進行分離，分離時可分為規則的建筑物構件和不規則的建筑物構件。所建立的三維模型是建筑物重要的空間信息，可在模型上提取斷面圖，進行量測量、網上發布等一系列操作。

3.3.7紋理映射

三維模型建立后，進行紋理映射，將數碼相機獲得建筑物影像信息恢復到模型表面，紋理映射技術重建模型逼真的表面信息，產生仿真的視覺效果，生成三維景觀模型。

4結語

地面三維激光掃描技術為高精度獲取城市建筑物空間信息提供了有效的解決方法。本文闡述三維激光掃描技術獲取城市建筑物空間信息的可行性，通過試驗驗證了所獲取數據精度的可靠性。利用三維激光掃描技術測量能夠減少普通測量外業工作量，避免人工攀爬，避免每一個建筑物進行“接觸式”的測量。三維激光掃描技術在大型建筑場地及建筑物內部信息獲取等領域同樣具有廣闊的應用前景，這將是需要進一步研究的方向。