基于三維激光掃描技術的塔形建筑數字化重建

姚雪妃 李小梅＊

（廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510000）

近年來，隨著測繪科學技術的發展以及多學科交叉融合程度的不斷加深，以前的工業化時代正在向信息化時代轉變，其中數字城市是信息化時代的基本標志之一，構建數字城市的底層數字基座就是實景模型重建。基礎測繪規劃中明確表示打造實景三維中國，將物理城市中地上下各類對象進行數字化，建立實景模型[1]。三維激光掃描技術作為一種全自動立體掃描技術，能夠快速直接采集物體表面的三維坐標信息，具有精度高、非接觸測量、受外界因素干擾小等優勢，相比傳統測繪手段，不僅提高了建筑測繪的效率，且依托點云數據能夠構建三維模型，直觀地展示出建筑實際情況[2]，因此利用三維激光掃描技術完成建筑物三維重建逐漸成為數字城市的熱點。但當前以塔形建筑為對象的案例較少，本文通過案例研究基于三維激光掃描技術的塔形建筑物數字化重建，闡述三維激光掃描技術的工作流程，探討塔形建筑物的數字化重建方法，并最終完成三維展示，為三維激光掃描技術在塔形建筑測繪的應用提供參考。

1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，是包含多個技術的新測量手段，激光測距是關鍵技術之一，分為激光三角法、干涉測距法和脈沖測距法三種。現在的掃描儀往往以脈沖測距法為主，令發射器發出脈沖信號，記錄信號打到物體表面再返回至儀器的時間Δt，求出目標與掃描儀中心的距離S，其中C為光速。

另外精密時鐘控制編碼器會同步記錄每個激光脈沖的橫向掃描角度值α和縱向掃描角度值θ。該系統均為站心坐標系，儀器中心為坐標原點，垂直方向為Z軸，X軸垂直于Z軸且位于水平面，Y軸與X、Z軸構成右手直角坐標系。由此可以得到目標點P的坐標計算公式[3]：

2 工程案例

2.1 技術路線

研究對象為某塔形建筑物，周邊較為空曠，采用的儀器為Trimble TX8激光掃描儀，該儀器能夠以每秒百萬個激光點的速度獲取數據，視場角為360°×317°，最大射程為120 m，點精度為1 mm，能夠滿足實驗數據獲取的要求。結合三維激光掃描技術的具體工作內容，總結了三維激光掃描技術在古建筑測量的工作流程。

整體技術路線如圖1所示。

2.2 古建筑點云數據采集

為了減少不必要的錯測和漏測，在掃描工作開始前首先要進行實地踏勘，掌握現場情況，明確掃描的范圍，同時收集附近可用的控制點和水準點等數據，若控制點數不足4個，則需要根據《城市測量規范》（CJJ/T 8—2011）、《工程測量規范》（GB 50026—2007）、《地面三維激光掃描作業技術規程》（CH/Z 3017—2015） 等規范要求布設平高控制點[4-6]。測區遮擋物較少，衛星信號良好，此次采用GNSS RTK的測量方法布設控制點，控制測量結束后還需要進行復測，檢查是否可用。掃描采用前后交替的形式進行環形架站，通過布置靶球完成前后站的連接，相鄰站點間要擺放靶球多于3個，另外靶球擺放要均勻布置，避免在同一高度或同一平面內的情況，且位置應選在特征明顯的地方，以便及時恢復靶球的位置。站點位置的選擇以保證人員和儀器安全為主，其次根據建筑的特點，保證掃描距離在掃描儀的有效測程內，并實現對建筑物的多角度掃描，特別是建筑物頂部，由于高度過高，需要遠距離架設掃描儀，盡可能保證建筑物上半部分的完整性。站點布設應保證均勻，在確保相鄰測站間確保重疊度在30%以上的前提下減少測站數目，進而減少測站配準的累積誤差。掃描結束后還需要進行影像數據采集，為后續建模提供照片參考。

2.3 點云數據處理

外業掃描已經成功獲取建筑物的點云數據，但還需要經過一系列預處理步驟，主要包括點云拼接、點云去噪、點云抽稀和坐標轉換。

2.3.1 點云拼接

由于單站掃描視角有限，難以獲取完整的建筑點云數據，因此需要架設多個測站，而將這些不同測站的點云數據拼接在同一坐標系后，才能得到完整的點云數據。點云拼接的方法可以分為基于標靶拼接和無標靶拼接，基于標靶拼接是擬合靶球的重心作為公共點，并以此作為控制點進行參數轉換，完成前后兩站的拼接；無標靶拼接則是選擇特征明顯的同名點，采用先粗拼接再精拼接的方法實施，具體實施手段是先通過手動選取同名點，為兩站數據提供一個較好的初始位置，之后通過ICP算法實現精確拼接[7]。由于本實驗是采集建筑的外表面，測量時均布置了靶球，故而選擇基于標靶拼接的方法完成測站數據的拼接。

2.3.2 點云去噪

三維激光掃描儀能夠快速獲取海量點云數據，但獲取的點云容易因為周邊環境或物體表面材質等因素的影響，從而產生錯誤或不屬于建筑物本身的噪聲點。為了保證數據的準確性和時效性，還需對點云數據進行去噪處理，防止誤判點云的局部特征。通常噪聲點可以分為四種[8]，即偏離主體建筑的漂移點、遠離中心區域且小而密集的孤立點、超出掃描區域的無用點、與主體混淆的混雜點，前三類可通過人機交互的方式人工選取噪聲點剔除，第四類可以利用算法消除噪聲點。

2.3.3 點云抽稀

龐大的點云數據不利于后期進行儲存、處理和應用等操作，因此需要抽稀點數，對點云數據進行降采樣，常見的采樣方法有空間采樣和隨機采樣。本實驗根據建筑物特征和點云數據的質量，以1 cm為閾值，選用空間采樣的方式減少數據量，最終點數由38 057 750降為4 645 300。

2.3.4 坐標轉換

由于三維激光掃描儀為站心坐標系，因此還需進行坐標轉換，將點云轉換到CGCS2000坐標系下。利用Realworks軟件的地理坐標轉換功能即可實現點云數據的坐標轉換。最終預處理完成后的點云數據如圖2所示。

圖2 塔形建筑點云

2.4 古建筑三維重建

內業數據處理完成后，可通過第三方建模軟件進行基于點云的三維建模工作，常用軟件有3Dmax和Sketch UP，但考慮到此次實驗對象結構較規則，形狀較為方正，因此選擇Sketch UP軟件完成建筑物的模型重建。依托天寶點云掃描插件可以將點云數據導入Sketch UP軟件，之后選擇合適的視圖用矩形和推拉工具畫出底部框架，轉換視角參照點云進行細節處修改，使模型與點云匹配，待底部模型構建完成，繼續向上推拉，同時可利用偏移復制和路徑跟隨命令畫出環繞塔身的突出部分，直至完成整個模型。為了使模型的觀感效果更逼真，還需要進行紋理映射，即根據影像數據裁剪出建筑物的真實材質，并賦予模型。為了更好地對建筑物進行數字化存檔，還可以生成二維線畫圖。塔形建筑物三維模型及二維線畫圖如圖3所示。

除了數據存檔外，為了更好地應用建筑三維模型，還可以將模型導入Easyearth三維平臺，對模型添加漫游，量測、場景分析等功能[9]。

2.5 精度驗證

為了檢驗模型的精度，挑選窗戶、門以及底部承臺等特征物，其測量數據與精度對比如表1所示。

表1 測量數據與精度對比 單位：m

通過表中數據可以看出，模型值與實測值的差值ΔL均不超過5 cm，且計算出中誤差為2.4 cm，符合精度要求，驗證了模型構建的有效性。

3 結語

精細化實景三維模型是市政規劃設計和建設的重要基礎地理信息資源，其高精度、高真實感的優點結合可量測影像與信息管理系統，能夠幫助城市的規劃、建設、管理、運行和服務。三維激光掃描技術能夠真實準確地表達出建筑對象地形態結構和特性，可以最大限度地還原數字場景與物理世界的相似度，為三維數字城市建設提供了有效手段。針對塔形建筑的數字化重建，除了作為數字城市建設的數據底板外，還可以作為存檔數據，通過多期對比分析其變化，因此對于三維模型的多方面應用還有待深入研究。