激光掃描技術在高層建筑物測繪建模設計中的應用研究

摘" 要：在現代高層建筑測繪建模需求下，激光掃描技術作為一項新技術具備顯著應用優勢，精度高、速度快，并且可以實現非接觸測繪等，因此在測繪領域已經得到了廣泛應用。激光掃描技術在城市高層建筑物測繪建模中的應用，不但可以自動、連續以及密集獲取相關數據，同時在高精度高層建筑物測繪建模中也具備一定應用可行性和有效性，具有一定應用價值。

關鍵詞：激光掃描技術" 城市" 高層建筑物" 測繪建模設計

中圖分類號：P258

Application of Laser Scanning Technology in Surveying Modeling and Design of High- Rrise Buildings

YE Zhengzhen

Gansu Agricultural Vocational and Technical College of Agricultural， Lanzhou， Gansu Province， 730030 China

Abstract： Under the demand for modern high-rise building surveying and modelingAs a new technology， laser scanning technology has been widely used in the field of surveying and mapping because of its significant application advantages as a new technology， with， such as high precision， fast speed， and the ability to achieve non-contact surveying and mapping. Therefore， it has been widely used in the field of surveying and mapping. The application of laser scanning technology in urban high-rise building surveying and modeling not only enables automatic， continuous， and intensive acquisition of relevant data， but also has certain feasibility and effectiveness in high-precision high-rise building surveying and modeling， and has certain application value.

Key Wwords： Laser scanning technology; City; High-rise building; Mapping Surveying modeling design

激光掃描技術被稱為“實景復制技術”，在其應用中可以和被測目標不接觸，通過發射激光光源，掃描被測目標后獲取相關三維數據，即可以通過這些數據建構目標物模型，主要應用優勢體現在建模速度快、主動性強，同時還具備比較高的精度^[1]。所以，在測繪領域中，激光掃描技術得到了廣泛應用，同時測繪專業也通過這一技術的應用，顯著提升了外業工作效率，能夠借助于豐富的數據支持提升測繪準確度，因此可以將此技術看成是測繪領域創新技術之一^[2]。本文結合具體案例，分析城市高層建筑物測繪建模中的激光掃描技術應用價值。

1" 研究案例和數據采集

1.1" 工程概況

本次研究選取某城市一棟高層建筑作為研究對象，對其實施一體式掃描。整個建筑外形設計現代時尚，具有線條美。本次實驗過程主要包括兩部分，分別為外業數據采集和內業數據處理。

1.2" 作業流程

激光掃描技術在城市高層建筑物建模設計中的應用，基本作業流程如圖1所示。從圖中可以看出，在完成外業數據采集后，即可以實施內業數據處理，基于相關數據完成實體建模，最后實施模型優化，完成相應的建模設計。

1.3" 外業數據采集

本次激光掃描選擇的是Leica Scan Station P40三維激光掃描系統，主要是該系統能夠迅速完成掃描，掃描速度最高能夠達到1 000 000點/s，最高點密度為2 mm/10 m，并且掃描精度高，點位精度能夠達到毫米級別。在這一掃描儀機身上配置有自動調教數碼相機，不但可以實施激光掃描，也可以同時拍攝高清照片，可以在模型建構中作為數據紋理貼圖。該系統上也配置有專業點云后處理軟件，所掃描的數據能夠迅速實施處理，完成三維模型建構。

在數據采集中，因為測繪目標物為高層建筑，隨著樓層的逐步增加會進一步提升掃描采集數據復雜度，因此，在得到點云數據集前，需要調查分析建筑物周圍環境與植物分布，采用站點遠近結合安裝方式，合理設置掃描站點，詳情如[ 3]"圖2所示。

通過圖[ 5]"[A6]"2可以看出，這一建筑物在激光掃描中，共設置14個站點，并呈現出遠近配合分布，近處站點主要是掃描建筑物底部，遠處站點主要是掃描建筑物整體情況，以此獲取相應點云數據集。

1.4" 內業數據處理

1.4.1" 數據預處理

完成點云數據采集后，點云數據中通常會存在有噪聲點。噪聲點的空間分布不同，相應的處理方式也有所不同，因此，需要先對其實施分類處理。噪聲點類型主要為：漂移點，此類型噪聲點和主體點云之間的距離比較遠，并且呈現出分散、稀疏形態，多集中在點云上方；冗余點，即為本身這些點云并不在預定范圍內；混雜點，即為和目標點云相互摻雜，區分難度較大^[3]。

在針對不同類型點云噪聲點處理中，需結合其具體分布特性實施處理。本次處理中，針對噪聲點直接采用系統框選功能實施處理，精準框出，并對其實施可視化交互操作，篩選出漂移點、冗余點，完成后剔除即可；混雜點在處理中則存在一定難度，可以在曲面去噪算法的應用下實施處理，以便于去除這一類型噪聲點。

1.4.2" 點云重采樣

若在點云處理中數據量比較大，相應的處理工作需要消耗大量的計算機資源，同時處理速度也直接受到軟件運行和工作效率的影響。因此，為能夠應對以上問題，可以在數據處理中實施點云數據采樣，以確保實現對重要信息的有效保留，同時顯著減少點云數據量。此過程中，必須要嚴格遵循相應的模型建構條件，依照相關規定最大化縮短數據處理中的誤差，基于此，確定最小采樣率點云數據，進而才能夠確保完成點云重采樣后，不但能夠有效體現原始點云幾何特征，也可以降低計算機資源消耗量，提升工作效率。在此實驗驗證后，本次針對原始點云實施重采樣，采樣率為25%，顯著縮短了點數量。

2" 模型設計及其優化

2.1" 模型設計

在模型設計中，若建筑物外觀形態比較規則，不具備特殊性，建模主要是應用特征線（目標物的邊界線、輪廓線等，均可以作為特征線），通過提取這些建筑物的特征線，即可以在三維點云的應用下有效復原建筑目標物的基本結構圖。在提取建筑物特征線過程中，主要方式有以下幾種。

[A7]"第一，特征點擬合法。該方法是通過三維點云模型提取目標物的特征點，并對其進行擬合，從而獲取建筑目標物的特征線。第二，切片法。該方法先要實現對目標物切平面的定義，進而一一提取其中的某高度區間點云，可以發現所提取的點云就像是連成串呈現出密集狀態的碎部點，和目標建筑物的取舍原則相結合，一一所獲取的特征點，即可以將其轉變為目標物的特征線^[4]。第三，投影法。該方法先要對這一建筑目標物實施不同投影面定義，簡而言之，就是將三維點云模型在二維平面上實施投影，從而繪制出相應的目標物特征線，主要是在建筑物立面圖繪制中較為適用。

本次研究完成點云數據處理后，則可以在這些數據的應用下實施建筑物建模設計。此過程中，一般是借助專用軟件進行處理，建筑物特征的提取方法主要為曲率、法向量法。本次研究中綜合應用以上3種特征線提取方式，在Thimble Realwarks軟件的應用下，提取特征線，在完成特征線提取工作后，在系統上完成相應的建筑物模型建構。在這一目標物內部存在有花壇等獨立構件，需要分別提取這些構件的點云數據，并且對其實施詳細建模。完成后，即可以將這些單獨構件的單體模型在主框架中整合。注意，在模型建構中，要采用統一的坐標系，確保最終完成的三維模型完整性。

2.2" 模型優化

為能夠進一步提升模型逼真性，還需要針對目標物紋理實施映射，以能夠在三維模型上增加紋理，將三維模型建構成為具備紋理屬性的模型^[5]。在這一工作中，可以在激光掃描相機的應用下，實現對建筑目標物實際紋理的拍攝，并將其保存在系統中，在應用這些拍攝圖片的時候需要考慮到可能存在拍攝變形問題，必須要提前針對圖片實施校正處理，成功將這些圖片轉變成為正視圖后可以使用。另外，為保障模型真實性，還需要精確校正目標物紋理圖，并且將其導入軟件中。結合軟件中的功能，可以完成相關紋理圖的編輯以及調整工作，進而有效保障紋理貼圖能夠有效契合目標物實際外觀。為確保可以取得良好的視覺效果，也可以借助3ds Max針對所建構實施紋理貼圖或三維渲染，以能夠完成模型的高級渲染，以能夠確保所建構的建筑物模型更加逼真。

3" 效果評估

在以上相關流程操作完成后，完成了這一高層建筑的模型建構，詳情見圖3。從圖中可以看出，在激光掃描技術的應用下，可以準確獲取建筑目標物的相關特征及其數據信息，完成相應的數字化模型建構。

4" 研究分析

通過以上案例分析可以看出，激光掃描技術在高層建筑物建模中的應用，相關流程為通過所設置的監測站點獲取建筑物的云數據，之后針對所獲取的數據實施預處理，為節約工作時間，也可以實施點云重采樣。完成數據處理后，可以結合實際需求采用特征點擬合法、切片法或者投影法完成相應的模型建構，同時也可以結合實際需求進行模型優化，讓所建構的模型更具有逼真性。在此技術的應用下，不但可以準確獲取建筑物的特征信息，同時也可以取得良好的渲染效果與建模效率，具有一定應用價值。

5" 結語

在本次研究中，通過地面三維激光掃描測量儀的應用，針對需要建模的建筑目標物進行數據采集，自動完成掃描工作，在這一技術支持下不但獲取了目標物的基礎空間位置信息，也得到了相應的紋理信息。本次研究中，充分證實了激光掃描技術在城市高層建筑物建模設計中具備一定有效性和可行性，未來還需要積極探索激光掃描技術的應用及發展方向，進而顯著提升高層建筑的建模效率。

參考文獻

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