孔祥玲，歐斌

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物輪廓擬合精度研究

孔祥玲?，歐斌

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

三維激光掃描技術(shù)可以高精度、海量、快速地獲取被測(cè)對(duì)象的三維坐標(biāo)，構(gòu)建出被測(cè)對(duì)象精準(zhǔn)的三維立體模型，這種高精度的三維立體模型在各個(gè)行業(yè)有著廣泛的用途。然而輪廓線提取精度是三維立體模型制作精度中起決定性因素之一。本文采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，對(duì)重慶人民大廈進(jìn)行了掃描，研究了建筑物掃描點(diǎn)云間隔設(shè)置和輪廓線擬合提取方法。

三維激光掃描技術(shù)；空間分辨率；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；掃描

1 引 言

隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、半導(dǎo)體以及傳感器等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的推動(dòng)，激光測(cè)量技術(shù)逐步由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光測(cè)距裝置，發(fā)展到采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式，快速獲取物體表面大量采樣點(diǎn)三維空間坐標(biāo)的三維激光掃描測(cè)量技術(shù)。與其他非接觸式測(cè)量方法相比，該技術(shù)具有較大的偏置距離和測(cè)量范圍，對(duì)某一區(qū)域掃描時(shí)，采集點(diǎn)位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境；測(cè)量準(zhǔn)確度高，特別適合測(cè)量表面復(fù)雜的物體及其細(xì)節(jié)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精細(xì)化測(cè)量；測(cè)量速度快，節(jié)約大量的時(shí)間，使工作效率提高，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，投入費(fèi)用也有減少；抗干擾性好，在昏暗的條件下或者夜間都不影響測(cè)量。

三維激光掃描技術(shù)可以高精度、海量、快速地獲取被測(cè)對(duì)象的三維坐標(biāo)，構(gòu)建出被測(cè)對(duì)象精準(zhǔn)的三維立體模型。在三維激光掃描儀的精度評(píng)價(jià)中，其掃描數(shù)據(jù)的三維立體建模精度是反映儀器測(cè)量精度的重要指標(biāo)之一，為了解三維激光掃描建筑物輪廓的提取精度，本文采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，對(duì)重慶市人民大廈相鄰兩個(gè)墻面作為研究對(duì)象進(jìn)行了掃描，研究了建筑物輪廓掃描云間隔設(shè)置和輪廓線擬合方法。

2 三維激光掃描儀選用

本次研究需要掃描距離長(zhǎng)、精度高、速度快且掃描點(diǎn)云均勻的掃描儀。奧地利RIEGL公司推出RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，其采用了脈沖法測(cè)距方式，擁有RIEGL獨(dú)一無(wú)二的全波形回波技術(shù)(waveform digitization)和實(shí)時(shí)全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)(online waveform analysis)，每秒可發(fā)射高達(dá)300，000點(diǎn)的纖細(xì)激光束，提供高達(dá)0.0005°(1.8″)的角分辨率，掃描距離可達(dá)1 km。除此以外，基于RIGEL獨(dú)特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，它能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向的掃描激光點(diǎn)云線。因此本采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀進(jìn)行試驗(yàn)。

3 場(chǎng)地選擇及常規(guī)測(cè)量方案

選擇便于設(shè)置點(diǎn)位和觀測(cè)要求的人民大廈相鄰兩個(gè)墻面作為研究對(duì)象，如圖1所示。

圖1 人民大廈相鄰兩個(gè)墻面

在人民大廈前方布設(shè)5個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，作為觀測(cè)控制網(wǎng)，采用TCA2003全站儀(0.5″，1+1PPm)按四等精度要求對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)用清華山維Nasew平差軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，計(jì)算出控制網(wǎng)的坐標(biāo)，控制網(wǎng)如圖2所示。

圖2 控制網(wǎng)布設(shè)示意圖

根據(jù)研究的要求，分別在人民大廈相鄰墻面上布設(shè)了特征點(diǎn)，在墻面2上布設(shè)Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，在兩個(gè)墻面的交界處布設(shè)Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6。使用TCA2003全站儀，分別在B點(diǎn)和C點(diǎn)設(shè)站，采用前方交會(huì)方法測(cè)量特征點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)，作為三維激光掃描獲取輪廓線的比較數(shù)據(jù)。特征點(diǎn)點(diǎn)位布設(shè)如圖3所示。

圖3 人民大廈墻面特征點(diǎn)布設(shè)示意圖

4 三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集

對(duì)人民大廈兩個(gè)墻面采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀進(jìn)行掃描。分別在B、C、D和E點(diǎn)上架設(shè)激光掃描儀，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的對(duì)中整平，為了提高各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度，每次在測(cè)站點(diǎn)設(shè)站時(shí)其余各點(diǎn)上均架設(shè)后視標(biāo)靶，每站對(duì)墻面和后視標(biāo)靶進(jìn)行掃描。在B點(diǎn)只掃描墻面2，在E點(diǎn)只掃描墻面1，在C點(diǎn)同時(shí)對(duì)墻面1和墻面2進(jìn)行掃描，在D點(diǎn)采用兩種不同空間分辨率參數(shù)設(shè)置掃描墻面1和墻面2及其輪廓交線。在掃描過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控掃描數(shù)據(jù)情況，保證獲得較好的掃描數(shù)據(jù)。在掃描結(jié)束后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，保證數(shù)據(jù)的完整性。

5 數(shù)據(jù)處理與分析

5.1 數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)處理按照點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)平滑處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、不同測(cè)站掃描數(shù)據(jù)的拼接和融合等環(huán)節(jié)進(jìn)行。其中難點(diǎn)是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的厚度處理，根據(jù)三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云包含四維信息，即三維坐標(biāo)和回光信號(hào)強(qiáng)度，在數(shù)據(jù)處理中首先剔除回光信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱的點(diǎn)，采用信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)點(diǎn)云進(jìn)行后期處理。

具體處理時(shí)，將在B點(diǎn)和E點(diǎn)設(shè)站掃描獲取的墻面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行最終拼接、擬合并提取墻面相交處輪廓線；對(duì)在C點(diǎn)設(shè)站掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按常規(guī)方法處理后提取墻面相交處輪廓線；對(duì)D點(diǎn)按兩種不同空間分辨率獲取的墻面點(diǎn)云數(shù)據(jù)分開(kāi)處理后，提取各特征點(diǎn)的坐標(biāo)。

5.2 空間分辨率設(shè)置對(duì)建模精度的影響

掃描的空間分辨率指掃描點(diǎn)的采樣間隔，反映了對(duì)被測(cè)物體掃描的精細(xì)程度。對(duì)每一個(gè)目標(biāo)的掃描，都需要事先設(shè)置掃描分辨率。在對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描之前，要依據(jù)激光束發(fā)散角的大小及距離的遠(yuǎn)近設(shè)置激光掃描儀的分辨率。圖4中表明不同分辨率所獲得掃描數(shù)據(jù)的情況。

圖4 激光束發(fā)散角與采樣間隔之間的關(guān)系

為驗(yàn)證不同掃描間隔對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模精度的影響，在D點(diǎn)設(shè)站對(duì)人民大廈進(jìn)行掃描時(shí)，利用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀具有的點(diǎn)云間隔設(shè)置功能，分別選用了100 m距離10 mm和2 mm兩種點(diǎn)云間隔進(jìn)行掃描，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的效果如圖5和圖6所示。

圖5 點(diǎn)云間隔10 mm的掃描數(shù)據(jù)

圖6 點(diǎn)云間隔2 mm的掃描數(shù)據(jù)

對(duì)兩種不同點(diǎn)云間隔掃描數(shù)據(jù)建立表面模型，擬合墻面上特征點(diǎn)Z1～Z6的坐標(biāo)，并與TCA2003全站儀測(cè)量相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行距離量取，得到不同點(diǎn)云間隔設(shè)置下的模型精度，其結(jié)果如表1所示。

不同點(diǎn)云間隔設(shè)置數(shù)據(jù)處理表 表1

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，在點(diǎn)云激光標(biāo)靶不重疊的情況下，高密度的點(diǎn)云間隔擬合平面精度高于低密度點(diǎn)云擬合平面精度。當(dāng)建筑物表面為平面且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單時(shí)，采用高密度掃描和低密度掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量都能達(dá)到毫米級(jí)。在實(shí)際工作中，對(duì)于非高精度的測(cè)量項(xiàng)目，可以采用厘米級(jí)的點(diǎn)云間隔設(shè)置進(jìn)行掃描，這樣可以有效縮短外業(yè)掃描時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)也能滿足工程需要。

5.3 輪廓線提取方法研究

建筑物的表面可以看作是由許多不同形狀的平面組合而成的，各個(gè)平面的交線就可以看做是建筑物的輪廓特征線。輪廓線提取精度是三位立體建模精度中起決定性因素之一，也是反映儀器測(cè)量精度的重要指標(biāo)之一。因此，本次研究采用兩種方法測(cè)量提取建筑物輪廓線并進(jìn)行比較。

第一種方法是直接整體掃描兩個(gè)墻面，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立表面模型，從而提取輪廓線，如圖7所示(圖中豎線表示提取的建筑物輪廓線，4個(gè)點(diǎn)表示全站儀測(cè)量的輪廓線上點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)值表示提取輪廓線與測(cè)量點(diǎn)之間的差值)。

圖7 直接掃描數(shù)據(jù)拼接后擬合輪廓線與測(cè)量點(diǎn)間的距離示意圖

第二種方法是通過(guò)分別單獨(dú)掃描相鄰的兩個(gè)墻面，對(duì)兩個(gè)墻面進(jìn)行平面擬合，再通過(guò)計(jì)算兩個(gè)擬合平面交線來(lái)提取輪廓線，如圖8所示(圖中豎線表示提取的建筑物輪廓線，4個(gè)點(diǎn)表示全站儀測(cè)量的輪廓線上點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)值表示提取輪廓線與測(cè)量點(diǎn)之間的差值)。

圖8 兩次掃描數(shù)據(jù)擬合輪廓線與測(cè)量點(diǎn)間的距離示意圖

把兩種方法得到的輪廓線數(shù)據(jù)與TCA2003全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較結(jié)果如表2所示。

擬合輪廓線與全站儀測(cè)量特征點(diǎn)的距離 表2

從表2可以看出，兩個(gè)平面交會(huì)擬合的輪廓線與全站儀測(cè)量特征點(diǎn)的距離要大于直接掃描整個(gè)建筑物擬合輪廓線的距離，說(shuō)明直接掃描整個(gè)被測(cè)量體獲取輪廓線的精度要高于將被測(cè)量體分開(kāi)掃描后擬合輪廓線的精度。但是，兩種方法掃描的誤差都在毫米級(jí)，因此對(duì)于常規(guī)測(cè)量?jī)煞N方法都可以滿足精度要求，而高精度測(cè)量時(shí)應(yīng)采用第一種方法。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文采用三維激光掃描技術(shù)，針對(duì)建筑物輪廓線在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的擬合提取精度以及數(shù)據(jù)采集時(shí)掃描點(diǎn)云間隔設(shè)置對(duì)精度的影響等進(jìn)行了研究。得出了在點(diǎn)云激光標(biāo)靶不重疊的情況下，高密度點(diǎn)云間隔獲取的數(shù)據(jù)擬合平面精度高于低密度獲取的點(diǎn)云擬合平面精度；直接掃描整個(gè)被測(cè)量體獲取輪廓線的精度要高于將被測(cè)量體分開(kāi)掃描后擬合輪廓線的精度。對(duì)于本文中采用的方法，數(shù)據(jù)處理結(jié)果都能達(dá)到毫米級(jí)，在實(shí)際工作中，建議對(duì)常規(guī)工程采用厘米級(jí)掃描間隔設(shè)置，這樣既能滿足工程需要也能提高工作效率；對(duì)于有高精度要求的項(xiàng)目，可以選定需要區(qū)域采用毫米級(jí)的點(diǎn)云間隔進(jìn)行掃描。

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兩江新區(qū)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)達(dá)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平

(本刊訊)近日，由重慶市勘測(cè)院承擔(dān)的“兩江新區(qū)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)”項(xiàng)目在北京順利通過(guò)重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織的以中國(guó)工程院劉先林院士為主任的專家委員會(huì)評(píng)審。與會(huì)專家一致認(rèn)為該項(xiàng)目成果整體上達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

該項(xiàng)目針對(duì)山地城市特點(diǎn)，結(jié)合兩江新區(qū)現(xiàn)狀條件，利用翔實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，形成了形式多樣的監(jiān)測(cè)成果，建立了兩江新區(qū)多源數(shù)據(jù)本底數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建了可視化查詢檢索應(yīng)用平臺(tái)。該監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新地采用了高精度的多源數(shù)據(jù)分類提取方案、有效抑制線性噪聲的變化檢測(cè)、改進(jìn)的遙感影像指數(shù)分析、地理國(guó)情信息的綜合分析等技術(shù)。同時(shí)，還利用了重慶市勘測(cè)院的國(guó)家發(fā)明專利技術(shù)提取地面光譜影像變化數(shù)據(jù)。

兩江新區(qū)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在兩江新區(qū)的應(yīng)用將有力推進(jìn)新區(qū)建設(shè)，幫助了解和掌握兩江新區(qū)基本地形地貌、城市建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各方面的綜合情況，為兩江新區(qū)的科學(xué)管理和合理規(guī)劃提供決策支持，同時(shí)也為重慶市即將全面開(kāi)展的地理國(guó)情普查工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(重慶市勘測(cè)院 胡開(kāi)全供稿)

The Research of Building Contour Fitting Precision0020Base on 3D Laser Scanning Technology

Kong Xiangling，Ou Bin
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

3D Laser Scanning Technology cans high-accuracy，magnanimity，fast get object’s 3d coordinate，and establish precise 3dmodel of object，precise 3dmodel iswidespread used in allwalks of life.But contour line extraction accuracy is decided to one of the factors in 3d modelmaking precision.This paper used RIEGL VZ-1000 3d laser scanner to scanning the people of Chongqing building，research the method of building scanning the point cloud interval setting and contour line extraction.

3d laser scanning technology；spatial resolution；point cloud data；scanning

1672-8262(2013)03-117-04

P234.4

B

2012—07—27

孔祥玲(1973—)，女，高級(jí)工程師，主要從事工程測(cè)量工作。