張會(huì)霞,陳宜金,劉國(guó)波

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究

張會(huì)霞,陳宜金,劉國(guó)波

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

三維激光掃描儀可以連續(xù)、自動(dòng)、快速獲取目標(biāo)物表面的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。論述三維激光掃描儀工作原理、數(shù)據(jù)處理流程。以校園建筑物為例,給出三維數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、模型建立的基本方法和結(jié)果。探討采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字校園的方法。

三維激光掃描;建筑物;建模

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是繼 GPS之后的又一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù),已成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段。特別是機(jī)載激光掃描系統(tǒng)發(fā)展很快,已經(jīng)用于快速獲取大面積的三維地形數(shù)據(jù)[1]?；诘孛娴娜S激光掃描系統(tǒng)目前正引起廣泛的關(guān)注,是三維激光掃描發(fā)展的一個(gè)重要方向,并在數(shù)字化文物保護(hù)、工業(yè)測(cè)量、數(shù)字城市、地形可視化、智能交通、土木工程等領(lǐng)域有著廣泛的用途。

傳統(tǒng)的測(cè)量方式是單點(diǎn)采集數(shù)據(jù),獲取的是單點(diǎn)數(shù)據(jù),而三維激光掃描測(cè)量技術(shù)不需要合作目標(biāo),可以自動(dòng)、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物表面的密集采樣點(diǎn)數(shù)據(jù),即點(diǎn)云數(shù)據(jù)。獲取的信息量也從點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到目標(biāo)物的紋理信息和顏色信息,并且擁有許多自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),例如:①數(shù)據(jù)獲取速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng);②數(shù)據(jù)量大,精度較高;③主動(dòng)性強(qiáng),能全天候工作;④全數(shù)字特征,信息傳輸、加工、表達(dá)容易[2]。

本文采用Leica的 HDS6000三維激光掃描儀(見(jiàn)圖1),結(jié)合三維激光掃描儀的基本工作原理,探討從數(shù)據(jù)獲取到建模的整個(gè)流程。通過(guò)對(duì)校園建筑物的掃描、數(shù)據(jù)處理,建立校園建筑物三維模型,探討采用三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù),從而進(jìn)行數(shù)字校園的研究。

圖1 Leica的 HDS6000三維激光掃描儀

1 三維激光掃描原理

1.1 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成。地面的三維激光掃描儀類型較多,有Leica的 HDS系列,奧地利Riegl公司出品的LM S-Z420i,Trimble公司生產(chǎn)的M ensi GS200三維激光掃描儀等,不同制造商的掃描儀生產(chǎn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量(例如:分辨率、精度、掃描速度、激光射束發(fā)散性)可能不同,但三維激光掃描儀的根本原理本質(zhì)上都是相同的[3]。三維激光掃描儀的構(gòu)造主要包括:一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀、一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡,部分儀器具有內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī),可以直接獲得目標(biāo)物的影像。通過(guò)傳動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng),完成對(duì)物體的全方位掃描,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,通過(guò)一系列處理獲取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

激光測(cè)距儀主要由激光發(fā)射器、接受器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微電腦組成。激光測(cè)距主要應(yīng)用兩種測(cè)量原理:脈沖測(cè)時(shí)測(cè)距和激光相位差測(cè)距。脈沖式測(cè)距主要包括以下4個(gè)過(guò)程,激光發(fā)射器周期地驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)射激光脈沖,同時(shí)接受由目標(biāo)表面后向反射信號(hào),利用穩(wěn)定的石英鐘對(duì)發(fā)射與接收時(shí)間差作計(jì)數(shù),利用微電腦計(jì)算儀器和掃描點(diǎn)間的距離值。相位式測(cè)距則是通過(guò)測(cè)定激光在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲而間接測(cè)定傳播時(shí)間,從而求得待測(cè)距離。與脈沖式測(cè)距相比相位式測(cè)距速度更快。

三維激光掃描儀的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括:①根據(jù)兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的用來(lái)反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值。②根據(jù)激光傳播的時(shí)間計(jì)算得儀器到掃描點(diǎn)的距離,根據(jù)這個(gè)距離,再配合激光束的水平方向角和垂直方向角,可以得到每一掃描點(diǎn)相對(duì)于儀器的空間相對(duì)坐標(biāo),如圖2所示。③掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度等。根據(jù)前兩種數(shù)據(jù)計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo),掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色。點(diǎn)的表示形式為(x,y,z,reflectivity)[4],不僅包含點(diǎn)的空間位置還包含點(diǎn)的反射強(qiáng)度。

圖2 地面三維激光掃描系統(tǒng)的定位原理

三維激光掃描儀的工作過(guò)程,實(shí)際上就是一個(gè)不斷數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程,它通過(guò)具有一定分辨率的空間點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z),其坐標(biāo)系是一個(gè)與掃描儀設(shè)置位置和掃描儀姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系所組成的點(diǎn)云圖來(lái)表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果[5]。

1.2 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的定位原理

地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行掃描后采集到的空間位置信息是以特定的坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)的,這種特殊的坐標(biāo)系稱為儀器坐標(biāo)系,不同儀器采用的坐標(biāo)軸方向不盡相同,通常其定義為:坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處,Z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi),向上為正;X軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與Z軸垂直,且垂直于物體所在方向;Y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直,且與 X軸、Y軸一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系,同時(shí) Y軸正方向指向物體[6]。

三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y,z)計(jì)算公式為

式中:θ為激光束的豎直方向角,α為激光束的水平方向角,S為儀器到掃描點(diǎn)的斜距。

2 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理

要建立一個(gè)目標(biāo)物的數(shù)字模型,必須經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理操作,三維激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為兩個(gè)步驟:掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品[7],常用的數(shù)據(jù)工作流程如圖3所示。

圖3 3D激光掃描儀數(shù)據(jù)工作流程

數(shù)據(jù)預(yù)處理指的是直接在點(diǎn)云上的操作,主要包括坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)濾波、地理參考、數(shù)據(jù)分割、曲面擬合和格網(wǎng)建立等。坐標(biāo)糾正就是在掃描區(qū)域中設(shè)置控制點(diǎn)或標(biāo)靶點(diǎn),使得相鄰區(qū)域的掃描點(diǎn)云圖上有3個(gè)以上的同名控制點(diǎn)或控制標(biāo)靶。通過(guò)控制點(diǎn)的強(qiáng)制附合,將相鄰的掃描點(diǎn)云圖統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下;數(shù)據(jù)濾波主要是減少數(shù)據(jù)的噪聲點(diǎn);地理參考主要是把儀器坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到當(dāng)?shù)鼗蛉蜃鴺?biāo)系統(tǒng)下;數(shù)據(jù)分割是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分到不同的點(diǎn)云子集中,每個(gè)點(diǎn)云子集代表同一種曲面形式;曲面擬合是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法確定點(diǎn)云子集所屬表面類型的數(shù)學(xué)形式[8];格網(wǎng)建立主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)的建立,為建立模型做準(zhǔn)備。最終的產(chǎn)品形式主要有3D模型、正射影像等;在3D模型上可以提取等高線、剖面圖等。

3 應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)學(xué)十樓及科技會(huì)堂的掃描建模,采用Leica的 HDS6000三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件Cyclone 5.8采集數(shù)據(jù),HDS6000的主要技術(shù)指標(biāo):采用相位式測(cè)距法,掃描速度50萬(wàn)個(gè)點(diǎn)/s,最大掃描距離50 m。

1)掃描前的準(zhǔn)備工作:對(duì)掃描目標(biāo)物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堪踏,確定掃描路線,掃描的測(cè)站數(shù)、測(cè)站位置,標(biāo)靶數(shù)、標(biāo)靶位置。學(xué)十樓及科技會(huì)堂由于規(guī)模較大,形狀復(fù)雜且周圍空間狹窄,HDS6000的掃描距離較短,共掃描13站:前面4站,后面5站,左右各2站,由于標(biāo)靶較少,主要采用紙標(biāo)靶,貼于建筑物的墻上。

2)掃描:采用 HDS6000三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件Cyclone 5.8在電腦的控制下進(jìn)行掃描。在每一測(cè)站設(shè)置采樣間隔、距離等參數(shù),掃描目標(biāo)物、標(biāo)靶,獲得目標(biāo)物和標(biāo)靶的采樣點(diǎn)點(diǎn)云圖。掃描學(xué)十樓及科技會(huì)堂采用的掃描距離為20 m,采樣分辨率為高,采樣間隔為13 mm×13 mm。圖4為學(xué)十樓及科技會(huì)堂一側(cè)的點(diǎn)云,其中字母 A 1、A 2、B1、B2、B3等為標(biāo)靶的標(biāo)識(shí),細(xì)線所指的點(diǎn)為標(biāo)靶的中心位置。

圖4 學(xué)十樓及科技會(huì)堂一側(cè)的點(diǎn)云圖

3)測(cè)量標(biāo)靶的坐標(biāo):采用全站儀測(cè)得標(biāo)靶坐標(biāo),用于把儀器坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正到測(cè)量坐標(biāo)系下,已知后視點(diǎn)以及當(dāng)前測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo),可以獲得作為前視點(diǎn)標(biāo)靶的坐標(biāo),數(shù)據(jù)格式是 X、Y、Z形式,本次共測(cè)得6個(gè)標(biāo)靶的測(cè)量坐標(biāo),如表1所示。

表1 標(biāo)靶的測(cè)量坐標(biāo) m

4)坐標(biāo)糾正:坐標(biāo)糾正有兩種方法,即采用標(biāo)靶糾正和采用點(diǎn)云糾正。前一種適用的條件是相鄰兩個(gè)測(cè)站之間至少有3個(gè)公共標(biāo)靶點(diǎn),利用公共標(biāo)靶作為約束條件進(jìn)行拼接。后一種方式是兩測(cè)站之間公共標(biāo)靶數(shù)少于3個(gè)或無(wú)標(biāo)靶,采用同名點(diǎn)進(jìn)行拼接,這種方式誤差較大。要轉(zhuǎn)為實(shí)測(cè)坐標(biāo),還需導(dǎo)入3個(gè)以上標(biāo)靶的測(cè)量坐標(biāo),把儀器坐標(biāo)系下的標(biāo)靶坐標(biāo)糾正成測(cè)量坐標(biāo),這樣所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為公用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。本次掃描由于標(biāo)靶不夠,采用點(diǎn)云進(jìn)行糾正,糾正后的點(diǎn)云圖如圖5所示。

圖5 糾正后的學(xué)十樓及科技會(huì)堂外表面點(diǎn)云圖

5)數(shù)據(jù)濾波:掃描時(shí)建筑物前面存在樹木、路燈、行人、車輛等遮擋物就會(huì)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面形成空洞,通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的分割和濾波,除去各測(cè)站點(diǎn)云圖的噪聲點(diǎn),包括非目標(biāo)物采樣點(diǎn),如樹木、行人等,提取出目標(biāo)物,如圖5所示。

6)三維模型建立:采用三維激光掃描儀掃描目標(biāo)物,其中最終產(chǎn)品之一是建立目標(biāo)物的三維模型,并可在模型上提取斷面圖,進(jìn)行量測(cè)、網(wǎng)上發(fā)布等一系列操作。本實(shí)例模型的建立是采用 HDS三維激光掃描儀系統(tǒng)軟件Cyclone6.0建成,在Modelspace模塊下完成,主要由幾個(gè)步驟完成:①定義坐標(biāo)系;②建立參考面;③繪圖;④生成面;⑤挖去窗戶部分;⑥增長(zhǎng)厚度。建成的模型如圖6所示。

圖6 學(xué)十樓及科技會(huì)堂建筑物外表面模型

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了使用三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù)的一些基本問(wèn)題。通過(guò)數(shù)據(jù)處理建立建筑物三維模型,并對(duì)三維激光掃描原理、坐標(biāo)糾正、模型建立進(jìn)行了詳細(xì)的闡述;最后通過(guò)對(duì)校園建筑物模型的建立,探討在數(shù)字校園工作中采用三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù),建立建筑物模型的可行性,并通過(guò)試驗(yàn),表明該方法是可行的。下一步的研究試圖把模型糾正到大地坐標(biāo)系中,并與二維校園平面圖疊合在一起,為校園空間信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,虛擬校園建設(shè)提供基礎(chǔ)信息。

[1]李必軍,方志祥,任 娟.從激光掃描數(shù)據(jù)中進(jìn)行建筑物特征提取研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2003,28(1):65-70.

[2]D INESH M,RYOSUKE S.Auto-extraction of U rban Features from Vehicle-Borne Laser Data[Z].Symposium on Geospatial Theo ry Processing and App lication,Ottawa,2002.

[3]臧 克.基于Riegl三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)的初步研究[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,28(1).

[4]吳 靜,靳奉祥,王 健.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模[J].測(cè)繪工程,2007,16(5):57-60.

[5]張遠(yuǎn)智,胡廣洋,劉煜彤,等.基于工程應(yīng)用的三維激光掃描系統(tǒng)[J].公路運(yùn)輸文摘,2001(9):38-40.

[6]劉 春,楊 偉.三維激光掃描對(duì)城市空間特征的采集和建模[J].2005中國(guó)數(shù)字城市發(fā)展戰(zhàn)略論壇,2005(10):315-321.

[7]ANDREA B IASION,LEANDRO BORNAZ,FULV IO RINAUDO.Laser Scanning App lication on Disaster Management.Italy:Sp ringer Berlin Heidelberg:Geo-info rmation fo r Disaster Management,2005.

[8]鄭德華.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的理論與方法[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2005.

Campus building modelling based on 3D laser scann ing

ZHANG Hui-xia,CHEN Yin-jin,L IU Guo-bo
(School of Resource and Safety Engineering,CUM TB,Beijing 100083,China)

3D laser scanner can be used to get the samp le data of the target surface continuously and quickly.In this paper,3D laser scanner working p rincip le,data p rocessing are discussed in detail.Taking the campus building as an examp le the author deals w ith the basic methods and resultsof the 3D data acquisition,data p rocessing and modelling.How to digitize the campus using the points cloud data is discussed.Key words:3D Laser scanning;building;modelling

TU 1

A

1006-7949(2010)01-0032-03

2008-12-26

張會(huì)霞(1972-),女,工程師,博士研究生.

[責(zé)任編輯劉文霞]