基于三維激光掃描技術的建筑物形體測量技術研究

(成都理工大學 四川 成都 610000)

形體測量起初是應用在工業制造業上對生產產品的質量控制，隨著時代的發展以及科學技術的進步，人們對于建筑物的建造已經不僅僅局限于曾經的簡單建筑物和小型廠房，越來越多的大型復雜的建筑物，工業工程以及水利建筑物和精密科研建筑物大量建造起來。這些大型建筑物在在空間位置、幾何形狀、以及外部尺寸等參數的控制具有更高的要求。基于三維激光掃描技術的建筑物形體測量相對于其他方法具有更加明顯的優勢，但同時也是具有一定缺點的。形體測量的結果精度是依托于三維激光掃描儀對建筑物的掃描結果和空間數據獲取的精度，點云數據精度越高，點云密度越大，建模的效果越好，最終獲取建筑物的特征點、特征線、特征面的精度也就越高。

一、建筑物形體特性

大型建筑物及其構筑物的形體特性是指其外部形態或者構成在長度、寬度、高度及其空間位置和體積等重要參數在幾何方向上的描述，并且還要包含外部形態與內部結構相互聯系的特點。大型建筑物及其構筑物的形體特性是表現其組成結構最直觀的描述，是將其空間特征抽象信息與其實體具體特征相結合，對于實現大型建筑物及其構筑物的形體測量，獲取其特征是至關重要的。建筑物的形體特性是對其空間實體用抽象參數表示的方式，通過一些重要的幾何參數進行表達，必要時候對其建筑物實體外部與內部通過參考物和幾何參數進行關聯描寫，這樣就可以清晰表達整個建筑物的基礎特征。

二、三維激光掃描技術的工作原理和數據處理

(一)建筑物以及構筑物的空間數據的定義是：在某些特定的參考系下，建筑物的整體或者某結構部位在空間中的位置、組成、以及空間拓撲關系的相關屬性，還包含確定建筑物以及構筑物形體特性取得的空間離散點的空間坐標。依據建筑物的空間數據定義可以得知，如果需要對建筑物進行形體測量需要獲取所研究的建筑物空間坐標點。不管是復雜建筑物還是簡單建筑物，一個完整的建筑物都可以分解為點、線、面，具體又可以分為實點、實線、虛點、虛線等具體以及抽象的特征，點、線、面還要具備顏色、材質、空間拓撲關系等。其中空間拓撲關系是空間建筑物存在的關系基礎，為了對建筑物進行形體測量認識建筑物的形體特性通常需要對建筑物進行有序的有目的測量采樣，獲取的建筑物的點云數據是進行空間數據獲取的主要內容。

(二)三維激光掃描儀的工作原理。三維激光掃描儀主要是由一臺快速高精度的激光測距儀、一組可以旋轉并且反射激光勻速運動的反射棱鏡、一臺高分辨率的數碼相機、和記錄儀器空間姿態的電子陀螺和電子水平儀等構成。當儀器運作的時候，通過棱鏡的內置馬達勻速旋轉棱鏡同時基座馬達也同時勻速運動反射激光，從而完成對目標物的全方位掃描，并通過內置處理器進行數據整理與處理，從而獲得目標物的三維點云數據。三維激光掃描儀在對目標物進行掃描的時候的獲取的原始數據有兩個，第一個是根據垂直轉動的反射棱鏡和水平轉動的底座得到激光發射的時候的豎直方向角和水平方向角。第二個是根據石英鐘所得到的激光傳播的時間求得目標點與儀器之間的距離。根據兩點之間的距離以及豎直方向角和水平方向角可以得到每一個掃描點的相對空間三維坐標。

(三)三維激光掃描儀的坐標系定位原理。三維激光掃描儀對目標物進行掃描后所獲取的點云數據的空間三維坐標是通過一定的坐標系統表示出來的，這種坐標系統稱之為儀器坐標系。通常情況下是以三維激光掃描儀的激光發射器為坐標的原點，儀器的豎向掃描面為Z軸并且向上為正，儀器的橫向掃描面為X軸并且與Z軸垂直而且垂直于目標物所在的方向，Y軸位于橫向掃描面內并且與X軸垂直，正方向指向物體，X軸、Y軸、Z軸構成右手坐標系。

(四)三維激光掃描儀的數據處理。對于三維激光掃描儀所獲取的點云數據來說，進行數據處理大體可以分為兩步，點云數據的預處理和相應的數據處理。點云數據的預處理主要的工作如下：坐標糾正，就是在掃描區域中通過相鄰測站之間公共的3個以上參考球或者標靶點進行圖像之間的配準，使得不同掃描區域中的點云坐標系劃歸到同一個坐標系下；數據濾波，主要是通過設置各種不同的參數刪除主體點云以外的多余點云；地理參考，是指將點云中的空間三維坐標系從儀器坐標系轉換到當地或者全球坐標系下；數據分割，是指將同一掃描區域中的點云分割到點云子集中；曲面擬合，是將點云數據利用數學的方法確定某一表面的數學形式；格網建立，是在點云數據中建立三角網。對點云數據經過預處理后，就可以進行相應的數據處理，最終可以得到擬合三維圖像，正射影像，形體測量中的特征提取，以及各種特征點、特征線、特征面。

三、點云數據特征提取

利用三維激光掃描技術，可以在復雜的施工環境以及空間進行三維數據采樣從而獲取建筑物以及其他構造的形體特性，并且對于大型、復雜、不規則、不標準的建筑物以及構造物可以實現完整的三維數據采集并且獲取點云所在實體的顏色和紋理信息，從而快速獲取實體目標的點、線、面便于對點云數據進行快速的擬合建模從而獲取建筑物的特征點、特征線、特征面等一系列的建筑物的形體特性。三維激光掃描技術能夠快速獲取目標建筑物的完整的三維信息并且以點云數據的形式導出，點云數據有利于快捷的擬合出目標建筑物的三維模型，因為三維激光掃描技術獲取的是建筑物的三維空間中的位置參數，因此對于建筑物的形體測量中特征提取具有很大的幫助，并且由于獲取的點云數據中不僅包含建筑物的空間位置信息還包含建筑物的顏色信息因此為以后其他的數據處理提供了更加豐富的源數據。

四、不足以及發展方向

本文主要圍繞著基于三維激光掃描技術的建筑物形體測量技術進行研究。對于空間數據的獲取，三維激光掃描儀具有效率高、操作簡單、數據處理可視化、精度高、大大節省人力物力。對于特征提取，點云數據的特征提取針對性強，操作靈活，視角靈活，可為正視圖、俯視圖、左視圖、右視圖等其他的一些視角，這為建筑物的整體及其細節監測提供了便利性。

此方法雖然有它自身的優點和優勢，但同時也有它自身的缺點和不足，未來對于形體測量的研究方向應朝著如下方向發展：

(1)由于在掃描的過程中不免會有樹木、車輛、行人等障礙物的遮擋，因此掃描結果可能或多或少的缺失，如果在數據處理的時候才發現問題會使整體效率降低，并且再掃描的話可能造成配準的困難。如何解決這個問題是提高數據獲取整體效率的一個關鍵所在；

(2)在進行建筑物特征線提取的時候，如果使點云數據自動識別建筑物的特征線，在不需要建模的前提下直接提取建筑物的形體特征，并由此獲取特征點以及特征面將會提高整體的工作效率。