黃承亮，向娟

(1.重慶市勘測院，重慶 400020；2.國家測繪局重慶測繪院，重慶 400015)

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測量方法研究

黃承亮1?，向娟2

(1.重慶市勘測院，重慶 400020；2.國家測繪局重慶測繪院，重慶 400015)

三維激光掃描技術(shù)是當(dāng)前一種新技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。提出三維激光掃描技術(shù)在建筑物模型建設(shè)中的應(yīng)用方法，分別以不同類型的建筑物為例，研究了其具體測量方案，并對相關(guān)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行分析，通過實(shí)驗(yàn)該方法取得了較好的結(jié)果。

三維激光掃描技術(shù)；三維建模；精度

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是國際上近期發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)。利用三維激光掃描技術(shù)，可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間進(jìn)行掃描操作，并可以直接實(shí)現(xiàn)各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)完整的采集，進(jìn)而快速重構(gòu)出實(shí)體目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)[1]。當(dāng)前這一技術(shù)主要用于工程測量、地形測景、虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬可視化、礦區(qū)土方開挖斷面和體積測量、工業(yè)制造、變形測量、加工檢測、施工量測、事故調(diào)查、歷史古跡的調(diào)查與恢復(fù)，以及特殊動畫效果的測量等[2，3]。但在建筑物變形監(jiān)測方面的研究比較少，本文主要研究了運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對建筑物建模的觀測方法。

在對建筑物進(jìn)行建模應(yīng)用中，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比有其特點(diǎn)和優(yōu)勢[4]。三維激光掃描技術(shù)能快速完整的獲取建筑物的三維信息，并能夠方便有效的生成建筑物的三維模型。由于三維激光掃描技術(shù)獲取的是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此能充分體現(xiàn)出建筑物的特征信息。通過對建筑物進(jìn)行整體掃描能為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供豐富的源數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描技術(shù)的獨(dú)特特點(diǎn)，因此在進(jìn)行建模時采用的方法也與傳統(tǒng)的方法有所差別，并且對不同類型建筑物的觀測方法也不一樣。雖然三維激光掃描儀的絕對精度并不高，但通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的建筑物模型數(shù)據(jù)的精度較高，同時兩次掃描之間的相對精度也較高，因此可以從這方面入手進(jìn)行觀測方案的設(shè)計(jì)。這里就分別對簡單建筑物和復(fù)雜建筑物的監(jiān)測方法進(jìn)行討論。

2 簡單建筑物的建模觀測方法

簡單建筑物定義為如圖1所示建筑物，其建筑結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的表面并且單體獨(dú)立，建模精度要求不高。在對這類簡單建筑物運(yùn)用Trimble GX200三維激光掃描儀進(jìn)行模型建立時在滿足測量精度要求的情況下主要考慮兩個方面的問題:一是盡可能提高測量精度；二是盡可能提高測量的效率。

圖1 簡單建筑物示意圖

圖2 復(fù)雜建筑物示意圖

2.1 控制網(wǎng)布設(shè)方法

應(yīng)用三維激光掃描儀對建筑物進(jìn)行建模首先要進(jìn)行觀測控制網(wǎng)的布設(shè)。根據(jù)三維激光掃描儀的掃描特點(diǎn)及觀測控制網(wǎng)的布設(shè)要求，提出三維激光掃描儀對簡單建筑物變形監(jiān)測控制網(wǎng)的布設(shè)原則為:

(1)控制網(wǎng)的精度要高于建筑物建模要求的精度。

(2)控制網(wǎng)布設(shè)的網(wǎng)型合適，能滿足三維激光掃描儀完全獲取建筑物數(shù)據(jù)的要求。

(3)控制網(wǎng)中各相鄰控制點(diǎn)之間通視良好，要求一個控制點(diǎn)至少與兩個控制點(diǎn)通視。

(4)為了提高測量精度，要求控制點(diǎn)與被測建筑物之間的距離保持在50 m以內(nèi)。根據(jù)以上原則，對簡單建筑物設(shè)計(jì)了兩種控制網(wǎng)布設(shè)方案，如圖3和圖4所示。

圖3 控制網(wǎng)布設(shè)方案一

圖4 控制網(wǎng)布設(shè)方案二

兩種布設(shè)方案中，方案一適用于當(dāng)建筑物長寬較大時，一次掃描不能得到一面墻體較好的掃描效果時采用。這種布設(shè)方法能使掃描儀在每個控制點(diǎn)上都能掃描到兩面墻體，當(dāng)四個控制點(diǎn)完全掃描完以后，每面墻體被掃描兩次，就增加了點(diǎn)云的密度，從而提高了建模的精度。方案二適用于建筑物長寬不大并且長寬比較小時。這樣布設(shè)控制網(wǎng)可以使每個控制點(diǎn)完全掃描一個墻體的數(shù)據(jù)，并且效果好，同時也節(jié)約時間提高工作效率。通過分析，當(dāng)定向邊與被測物體的夾角越小時，其掃描得到的點(diǎn)精度越高，從方案二可以看出，定向方向(后視方向)與被測墻體的夾角基本在45°以內(nèi)，因此這樣得到的墻體掃描數(shù)據(jù)具有較高的精度。

在控制網(wǎng)布設(shè)完畢后，應(yīng)采用高精度的全站儀進(jìn)行坐標(biāo)測量，獲得控制網(wǎng)各點(diǎn)的坐標(biāo)，保證控制網(wǎng)的精度高于被測建筑物要求的精度一個等級。當(dāng)兩個控制點(diǎn)之間的距離大于100 m時，由于三維激光掃描儀的掃描精度隨距離的增加而降低，因此需要在兩控制點(diǎn)之間增加一個控制點(diǎn)，使各控制點(diǎn)間的距離小于100 m，保證三維激光掃描儀的測量精度。

2.2 掃描觀測方法

在控制網(wǎng)建立完成后，就可以把三維激光掃描儀架設(shè)在各個控制點(diǎn)上對被測建筑物進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體測量步驟為:

(1)在某一控制點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀，并把儀器進(jìn)行精確地對中整平，連接各種數(shù)據(jù)線和電源線，使三維激光掃描儀與控制終端(筆記本電腦)保持通訊。

(2)在相鄰控制點(diǎn)上架設(shè)儀器標(biāo)靶，作為后視定向點(diǎn)，并對標(biāo)靶進(jìn)行精確地對中整平。保持相鄰兩控制點(diǎn)之間的距離小于100 m，以距離為50 m最佳。

(3)啟動三維激光掃描儀和筆記本電腦中的相應(yīng)控制軟件。首先操作電腦控制三維激光掃描儀對相鄰控制點(diǎn)上的標(biāo)靶進(jìn)行瞄準(zhǔn)掃描，獲取定向邊數(shù)據(jù)；后視定向完成后，控制三維激光掃描儀對被測建筑物進(jìn)行掃描，得到建筑物的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在每個控制點(diǎn)上重復(fù)這一過程進(jìn)行掃描，直到獲得全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(4)對得到的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，查找是否有遺漏或掃描效果不好的區(qū)域，如果存在需要進(jìn)行及時的修補(bǔ)掃描或進(jìn)行點(diǎn)云加密掃描，最后確證獲得完成可靠的數(shù)據(jù)。到此建筑物建模外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束，轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

在整個三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集過程中，需要對三維激光掃描儀的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，每個參數(shù)的設(shè)置都會對掃描過程和掃描結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。對結(jié)構(gòu)簡單的建筑物進(jìn)行掃描時，主要考慮掃描數(shù)據(jù)精度和掃描效率。因此需要對各個參數(shù)設(shè)置進(jìn)行分析，達(dá)到高效率、高精度的掃描結(jié)果。

(1)點(diǎn)云間隔設(shè)置:三維激光掃描儀掃描物體得到的數(shù)據(jù)稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由大量的離散點(diǎn)構(gòu)成。這些離散點(diǎn)并不是無規(guī)則的排列在一起，而是按照一定的行列間隔有序排列。三維激光掃描儀在對物體進(jìn)行掃描時，需要進(jìn)行點(diǎn)云間隔的設(shè)置。對于建筑物而言，點(diǎn)云間隔設(shè)置不同得到的掃描結(jié)果也有差別。當(dāng)點(diǎn)云間隔設(shè)置較大時，掃描速度快，花費(fèi)時間少，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏密度?。划?dāng)點(diǎn)云間隔設(shè)置較小時，掃描速度慢，花費(fèi)時間多，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集密度大。速度快時間少在野外工作時可以節(jié)約用電量，進(jìn)行更多的掃描工作；點(diǎn)云密度大可以更好地反映建筑物的細(xì)節(jié)特征，有利于模型的建立。因此合理的設(shè)置很重要。

以圖1建筑物為例，采用兩種不同的點(diǎn)云間隔設(shè)置進(jìn)行掃描，一種采用點(diǎn)云間隔為10 mm，另一種采用點(diǎn)云間隔為30 mm，分別得到圖5和圖6的掃描結(jié)果。

圖5 點(diǎn)云間隔10 mm數(shù)據(jù)

圖6 點(diǎn)云間隔30 mm數(shù)據(jù)

從圖5和圖6可見，當(dāng)點(diǎn)云間隔為10 mm時得到的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度大，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，能較好的反映建筑物的特征信息；當(dāng)點(diǎn)云間隔為30 mm時得到的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度較小，數(shù)據(jù)質(zhì)量與間隔為10 mm的數(shù)據(jù)相比稍差，但能完整反映建筑物的整體信息。

應(yīng)用Geomagic Studio 8數(shù)據(jù)處理軟件對兩種數(shù)據(jù)建立表面模型，如圖7和圖8所示。從建立的表面模型可以看出，兩個種點(diǎn)云間隔得到的建筑物表面模型基本一樣，都能反映出建筑物的整體輪廓整體。說明兩種點(diǎn)云間隔設(shè)置對于結(jié)構(gòu)簡單的建筑物建立表面模型，在整體上都能較好反映物體特征。圖9和圖10是兩種表面模型在同一位置截取的細(xì)節(jié)輪廓圖。在細(xì)節(jié)表現(xiàn)上點(diǎn)云間隔10 mm的表面模型比點(diǎn)云間隔30 mm的表面模型效果好。但點(diǎn)云間隔30 mm的表面模型也能完全反映細(xì)節(jié)特征，對于結(jié)構(gòu)簡單的建筑物而言，可以滿足模型建立的要求。

圖7 點(diǎn)云間隔10 mm表面模型

圖8 點(diǎn)云間隔30 mm表面模型

圖9 點(diǎn)云間隔10 mm

圖10 點(diǎn)云間隔30 mm

對如圖1所示的簡單建筑物進(jìn)行4個測站掃描過程中，以10 mm的點(diǎn)云間隔進(jìn)行掃描總共用時26 min，以30 mm的點(diǎn)云間隔進(jìn)行掃描總共用時8 min。在掃描效率上，點(diǎn)云間隔30 mm掃描是點(diǎn)云間隔10 mm掃描的3倍，這樣就極大地增加了掃描時間。

因此，對于結(jié)構(gòu)簡單的建筑物在滿足建模精度要求的前提下，可以采用30 mm～40 mm點(diǎn)云間隔的設(shè)置進(jìn)行掃描，這樣既能得到精度較高，質(zhì)量較好的掃描數(shù)據(jù)，同時又能提高掃描的效率，達(dá)到既快又好的掃描結(jié)果。

(2)掃描次數(shù)設(shè)置:Trimble GX200三維激光掃描儀對物體進(jìn)行掃描時，具有在同一測站點(diǎn)上對物體進(jìn)行多次掃描的功能，掃描次數(shù)的范圍為1次～4次。掃描次數(shù)設(shè)置越高，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)越密集，點(diǎn)云密度越大，效果越好，但同時掃描速度降低，掃描時間延長。

通過試驗(yàn)分析以及運(yùn)用三維激光掃描進(jìn)行測量積累的經(jīng)驗(yàn)得出，對于簡單建筑物，在合適的點(diǎn)云間隔設(shè)置下，采用1次～2次掃描次數(shù)就可以滿足測量的要求，并能得到較好的效果。采用更多的掃描次數(shù)，對于提高掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量沒有明顯的效果。

(3)精細(xì)掃描設(shè)置:精細(xì)掃描是指對建筑物某一區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描，以獲取該區(qū)域的高清晰點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這種掃描方式應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高或者細(xì)節(jié)特征明顯的區(qū)域。對于簡單的建筑物，由于其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，精度要求也不高，因此不需要進(jìn)行精細(xì)掃描。

3 復(fù)雜建筑物的建模觀測方法

復(fù)雜建筑物定義為大型的、外形結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜的、多體組合的建筑物，如圖2所示建筑物。對復(fù)雜建筑物進(jìn)行建模時，要求精度高屬于高精度精密測量，因此運(yùn)用Trimble GX200三維激光掃描儀對復(fù)雜建筑物進(jìn)行模型建立時，主要以測量結(jié)果達(dá)到其要求的精度指標(biāo)為依據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)測量方案的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方案如下。

3.1 控制網(wǎng)布設(shè)方法

復(fù)雜建筑物建立模型的精度要求較高，因此其觀測控制網(wǎng)的布設(shè)十分重要，控制網(wǎng)的精度高低直接決定最終模型的精度。根據(jù)三維激光掃描儀的掃描特點(diǎn)及觀測控制網(wǎng)的布設(shè)要求，提出對復(fù)雜建筑物建模觀測控制網(wǎng)的布設(shè)原則為:

(1)觀測控制網(wǎng)建設(shè)精度高于復(fù)雜建筑物模型要求精度一個等級。

(2)控制網(wǎng)各控制點(diǎn)平面坐標(biāo)采用高精度全站儀實(shí)施導(dǎo)線測量，高程采用精密水準(zhǔn)測量方法，并進(jìn)行嚴(yán)格的平差計(jì)算。

(3)控制網(wǎng)網(wǎng)型合適，滿足三維激光掃描儀完整獲取建筑物數(shù)據(jù)的要求。對部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，應(yīng)加密變形監(jiān)測控制點(diǎn)使掃描時能更好地獲得掃描數(shù)據(jù)。

(4)控制網(wǎng)中各相鄰控制點(diǎn)之間通視良好，要求一個控制點(diǎn)至少與兩個控制點(diǎn)通視。

(5)為了提高測量精度，要求控制點(diǎn)與被測建筑物之間的距離保持在50 m以內(nèi)或更近的距離。

根據(jù)以上原則，對如圖11所示的復(fù)雜建筑物設(shè)計(jì)了一種控制網(wǎng)布設(shè)方案，如圖11所示。

圖11 復(fù)雜建筑控制網(wǎng)布設(shè)方案

這種控制網(wǎng)布設(shè)方案中，1號～16號控制點(diǎn)為基礎(chǔ)控制點(diǎn)，17號～22號控制點(diǎn)為加密控制點(diǎn)。基礎(chǔ)控制點(diǎn)布設(shè)作用主要是保證能完整獲取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息；加密控制點(diǎn)主要是針對建筑物部分區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要進(jìn)行局部精細(xì)掃描反映建筑物細(xì)節(jié)特征布設(shè)的。加密控制點(diǎn)的布設(shè)原則主要根據(jù)建筑物的復(fù)雜特征和變形監(jiān)測要求的精度，加密控制點(diǎn)和基礎(chǔ)控制點(diǎn)的測量精度相同。

3.2 變形監(jiān)測方法

運(yùn)用Trimble GX200三維激光掃描儀對復(fù)雜建筑物進(jìn)行觀測的方法與對簡單建筑物進(jìn)行觀測的方法基本一樣。由于對復(fù)雜建筑物進(jìn)行建模精度要求高，因此在各個測量環(huán)節(jié)上都應(yīng)做到精確無誤，保持測量結(jié)果具有較高的精度。

對復(fù)雜建筑物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，也需要對三維激光掃描儀的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。與對簡單建筑物進(jìn)行掃描時參數(shù)設(shè)置不同，對復(fù)雜建筑物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，主要考慮掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量和掃描結(jié)果的精度，下面對相關(guān)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行討論。

(1)點(diǎn)云間隔設(shè)置:由于復(fù)雜建筑物的結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜、細(xì)節(jié)輪廓多，如果采用較大的點(diǎn)云間隔設(shè)置進(jìn)行掃描，可能無法完整的得到建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對于一些細(xì)節(jié)特征可能會造成顯示不清楚或丟失的情況。因此在對復(fù)雜建筑物進(jìn)行掃描時應(yīng)采用10 mm～20 mm設(shè)置，并保證能完整反映建筑物最小細(xì)節(jié)特征的點(diǎn)云間隔。

(2)掃描次數(shù)設(shè)置:在前面介紹過Trimble GX200三維激光掃描儀對物體進(jìn)行掃描時，可以對掃描次數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其范圍為1次～4次。掃描次數(shù)設(shè)置越高，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)越密集，點(diǎn)云密度越大，效果越好。

對于復(fù)雜建筑物，在合適的點(diǎn)云間隔設(shè)置下，應(yīng)該采用3次～4次掃描次數(shù)，達(dá)到點(diǎn)云加密的效果，這樣可以獲得高質(zhì)量的掃描結(jié)果，才能滿足復(fù)雜建筑物建模精度的要求。

(3)精細(xì)掃描設(shè)置:精細(xì)掃描是指對建筑物某一區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描，以獲取該區(qū)域的高清晰點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對于復(fù)雜建筑物有時需要獲取局部細(xì)節(jié)特征，但采用常規(guī)的掃描設(shè)置無法有效的得到其特征，因此可以采用精細(xì)掃描方式進(jìn)行掃描。這種掃描設(shè)置可以滿足某些特殊效果的需要，如圖12所示。

圖12 精細(xì)掃描效果圖

圖12 左圖是對建筑物進(jìn)行掃描并對其局部特征進(jìn)行5 mm～10 mm掃描，右圖是局部放大的效果圖。可以看出精細(xì)掃描可以明顯的反映出建筑物的細(xì)節(jié)特征，達(dá)到高質(zhì)量的掃描效果。

(4)關(guān)鍵點(diǎn)掃描設(shè)置:在建筑物的特征點(diǎn)或關(guān)鍵位置，可以采用設(shè)置掃描標(biāo)靶，對標(biāo)靶進(jìn)行獨(dú)立掃描獲取該特征點(diǎn)的信息。這種特征點(diǎn)的掃描方法可以獲取高精度的建筑物的關(guān)鍵區(qū)域或特征點(diǎn)。

4 結(jié) 語

三維激光掃描儀用于建筑物建模的技術(shù)目前還處于研究的階段，文本提出了三維激光掃描儀應(yīng)用于建筑物模型建立的觀測方法。分別對簡單建筑物和復(fù)雜建筑物的工作方法進(jìn)行討論，提出了各自的測量原則和標(biāo)準(zhǔn)，對其控制網(wǎng)布設(shè)方法和具體觀測方法也進(jìn)行了研究。

[1] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2005

[2] 毛方儒，王磊.三維激光掃描測量技術(shù)[J].宇航計(jì)測技術(shù)，2005，25(2):1～6

[3] 張國輝.基于三維激光掃描儀的變形監(jiān)測[J].中國科技論文在線

[4] 李秋，秦永智，李宏英.激光三維掃描技術(shù)在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].煤炭工程，2006，4:97～99

Study on The Measurement Method of 3D Laser Scanning Technique on Model Building

Huang ChengLiang1，Xiang Juan2
(1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China；2.Chongqing Institute Of Survey And Mapping，Chongqing 400015，China)

As a new technology，3D Laser Scanning is being wildly used in many fields.This paper demonstrates how to apply the technology to Model building，Different types of buildings are an example，research the specific measurement method and analysis the parameters setting.The scanner reaches a nice result in this experiment.

3D laser scanning technique；3D modeling；precision

1672－8262(2011)01－87－04

P234.4

B

2010—03—29

黃承亮(1984—)，男，助理工程師，現(xiàn)主要從事工程測量和三維激光掃描技術(shù)研究工作。