徐賀,張文春,林楠(吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院,吉林長春 130118)

三維激光掃描技術(shù)在地下建筑三維建模中的應(yīng)用研究

徐賀?,張文春,林楠
(吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院,吉林長春 130118)

摘 要:地下建筑的三維建模日益受到人們重視,本文以長春市某地下車庫為實(shí)例,對其進(jìn)行三維建模,介紹了利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地下車庫三維建模的方法,分析了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測量精度。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)方法相比,建模的精度和效率都有很大提高,對地下建筑的三維建模具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞:三維建模;地下工程;三維激光掃描;點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1 前 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字城市的建設(shè)在全國已經(jīng)形成一個(gè)勢不可擋的浪潮[1],城市空間信息的獲取成為數(shù)字城市的基礎(chǔ)工程[2]。近年來,城市空間信息的獲取以及建筑物的三維建模多集中于地上部分,而地下空間信息的獲取由于受到技術(shù)和方法的限制而少有人研究。隨著遠(yuǎn)程激光掃描儀的發(fā)展,三維激光掃描技術(shù)越來越多地應(yīng)用到測繪領(lǐng)域,大大解決了這一難題。

地下建筑的三維模型構(gòu)建日益受到人們的重視。傳統(tǒng)的測量方法是利用全站儀或GPS進(jìn)行地下建筑的數(shù)據(jù)采集,但由于某些地下建筑地形復(fù)雜,且無法接收GPS衛(wèi)星信號,因此該方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,很難實(shí)現(xiàn)。作為現(xiàn)代高精度傳感技術(shù),三維激光掃描儀可以深入到復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行掃描操作,并直接將地形復(fù)雜的、不規(guī)則實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到計(jì)算機(jī)中,從而快速構(gòu)建出被掃描物體的三維模型。本文以長春市某地下車庫為實(shí)例,采用Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀進(jìn)行測量,建立地下車庫三維模型,分析了地下車庫三維模型的誤差以及點(diǎn)位精度的評定,對地下建筑的三維建模具有借鑒意義。

2 工程概況與技術(shù)流程

2．1工程概況

測區(qū)位于長春市某小區(qū)地下車庫,車庫總面積大約4 000 m2,分別有一個(gè)入口和一個(gè)出口。測區(qū)概況平面圖如圖1所示。

2．2技術(shù)流程

基于三維激光掃描儀的地下車庫建模和精度分析主要分外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和精度分析三部分。主要工作流程如圖2所示。

圖1　地下車庫概況平面圖

圖2　地下車庫三維建模及精度分析技術(shù)流程圖

3 三維激光測量數(shù)據(jù)采集

3．1三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀系統(tǒng)本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng),同時(shí)也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器內(nèi),通過兩個(gè)同步反射棱鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn),將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域,測量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間(或相位差)來計(jì)算距離,同時(shí)掃描控制模塊控制和測量每個(gè)脈沖激光的角度,最后計(jì)算出激光點(diǎn)在被測物體上的三維坐標(biāo),三維激光掃描測量儀原理如圖3所示[2]。

圖3　三維激光掃描儀工作原理

本次三維掃描項(xiàng)目采用德國Z+F IMAGER 5010C設(shè)備,該掃描儀是相位式三維激光掃描儀。相位式掃描儀掃描距離近,但是掃描速度快、精度高,最高精度可達(dá)0．3 mm,有效測量距離可達(dá)187 m。設(shè)備內(nèi)置相機(jī)可生成一站8 000萬像素的高分辨率影像數(shù)據(jù),角度分辨率水平達(dá)到0．000 2°垂直0．000 4°。IMAGER 5010C的激光是波長為1．5 μm的一級激光,激光垂準(zhǔn)儀能夠使儀器精確的定位在已知坐標(biāo)點(diǎn)上,即使在光線昏暗的地下車庫中也可以清晰地掃描地物。該儀器具有極高的掃描速率,可達(dá)每秒1 016 027個(gè)點(diǎn),極大地提高了工作效率。

3．2控制測量

(1)控制點(diǎn)及標(biāo)靶的布設(shè)

對地下車庫入口和出口外周圍的環(huán)境進(jìn)行踏勘,選擇在入口和出口外各確定一個(gè)控制點(diǎn),分別命名K2 和K4,距K2和K4較遠(yuǎn)且通視處確定兩個(gè)控制點(diǎn)K1 和K3,用于確定后視。在入口和出口處分別貼3張與掃描儀配套的標(biāo)靶紙,分別命名為A1、A2、A3,B1、B2、B3。使K2與A1、A2、A3通視,K4與B1、B2、B3通視,便于后續(xù)掃描坐標(biāo)與地方坐標(biāo)的結(jié)合,如圖1所示。根據(jù)三維激光掃描儀的特性,儀器無法精準(zhǔn)掃描法向量與激光接近垂直的地物,所以張貼標(biāo)靶紙時(shí)盡量減小每組標(biāo)靶紙中心的法向量與儀器發(fā)射激光束的交角。另外,為使模型的坐標(biāo)更加準(zhǔn)確,每組標(biāo)靶紙應(yīng)貼于不同的平面上。

(2)控制點(diǎn)及標(biāo)靶坐標(biāo)的獲取

基于長春市CORS系統(tǒng)利用南方S82-T GPS接收機(jī),精確測得K1、K2、K3、K4城市坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo),為后續(xù)地下車庫的三維模型整體坐標(biāo)提供基礎(chǔ)。以K1為后視點(diǎn),在K2處架設(shè)徠卡TM30測量機(jī)器人, 對A1、A2、A3標(biāo)靶紙中心點(diǎn)進(jìn)行觀測,得到標(biāo)靶中心點(diǎn)的坐標(biāo),同理可測得B1、B2、B3標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)。

(3)掃描過程

三維掃描儀的外業(yè)非常簡單,只需要設(shè)立標(biāo)靶和外業(yè)掃描兩步即可。擺設(shè)標(biāo)靶時(shí)盡量合理布局,使最少的擺站能夠掃描最全面的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn),用于兩站之間拼接的球形標(biāo)志為Z+F IMAGER 5010C儀器配套的球形標(biāo)志,掃描儀發(fā)射的激光可自動(dòng)識別球形標(biāo)志。根據(jù)地下車庫的特點(diǎn)及周圍環(huán)境,確定球形標(biāo)志的安放位置。一個(gè)測站中,球形標(biāo)志在測站的兩側(cè)均有放置,每一側(cè)放置3個(gè)球形標(biāo)志,使之在后期的數(shù)據(jù)處理中可以有所選擇,試驗(yàn)中兩站公共球形標(biāo)志數(shù)量為3個(gè)。為保證測量精度,每兩站之間距離控制在100 m以內(nèi)。確定好標(biāo)志安放位置和儀器安放位置后,架設(shè)儀器,打開電源,掃描儀預(yù)熱后設(shè)置參數(shù)(質(zhì)量、分辨率等),掃描儀自動(dòng)進(jìn)行掃描,依次完成每站的掃描工作,最后實(shí)驗(yàn)完成后測站數(shù)目共有12站。

4 三維激光測量數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描儀的內(nèi)業(yè)工作分為基本處理和后處理兩部分。基本處理是將從三維掃描儀上導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼站處理、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等。后處理是根據(jù)實(shí)際需求生成線畫圖或者三維建模數(shù)據(jù),要得到這樣的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波去噪、抽稀、矢量提取、點(diǎn)云封裝、三維建模等過程。

4．1點(diǎn)云的基本處理

點(diǎn)云配準(zhǔn)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取后的第一步處理,也是所有后續(xù)處理的基礎(chǔ),因此,配準(zhǔn)的精度將直接關(guān)系到建模精度[3]。由于物體的遮擋、掃描儀的限制等原因,要完成對地下車庫的完整三維數(shù)據(jù)獲取,掃描儀需要多測站多角度進(jìn)行掃描。但在不同測站進(jìn)行掃描的坐標(biāo)系不同,因此需要通過點(diǎn)云配準(zhǔn)將多站掃描數(shù)據(jù)拼接到同一坐標(biāo)系下,以獲得物體表面的完整的形狀信息[4]。

地下車庫表面點(diǎn)云的空間信息位于相對坐標(biāo)系中。掃描完成后,通常要把相對坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為國家統(tǒng)一坐標(biāo)系或者是地方獨(dú)立坐標(biāo)系。兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換的參數(shù)一般包括3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個(gè)尺度變化參數(shù),這里兩個(gè)坐標(biāo)系的尺度相同,即兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系之間的變化有6個(gè)獨(dú)立的參數(shù),采用迭代法來解決非線性三維基準(zhǔn)變換[5]。

此次試驗(yàn)選擇Z+FLasercontrol軟件對掃描得到的12站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)配準(zhǔn),過程如圖4、圖5所示。

所有標(biāo)志標(biāo)定完成后,對工程進(jìn)行最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定,將TM30全站儀測量得到的標(biāo)靶紙中心坐標(biāo)賦予模型作為轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。標(biāo)定、轉(zhuǎn)換完成后,生成標(biāo)定報(bào)告,標(biāo)靶紙以及球形標(biāo)志的標(biāo)定報(bào)告如表1所示。

圖4　標(biāo)靶紙中心坐標(biāo)的標(biāo)定

圖5　球形標(biāo)志的標(biāo)定

標(biāo)靶紙以及球形標(biāo)志的標(biāo)定報(bào)告 表1

從表1可以看出,標(biāo)靶紙中心坐標(biāo)相對于全站儀坐標(biāo)數(shù)據(jù)的平均偏差為1．0 mm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．7 mm,最大偏差是1．5 mm;球形標(biāo)志中心坐標(biāo)平均偏差為2．5 mm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為1．3 mm,最大偏差為4．9 mm,這完全滿足工程測量中的精度要求。

4．2點(diǎn)云的后處理

三維激光掃描儀進(jìn)行工作時(shí),建筑物周圍的樹木、行人、車輛等易對掃描造成遮擋,造成不必要數(shù)據(jù)的缺失。采用多測站多視角觀測后,彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)的缺失,但是會造成數(shù)據(jù)的冗余。這些冗余數(shù)據(jù)不僅增加了計(jì)算機(jī)的內(nèi)存,而且降低了數(shù)據(jù)處理的效率,所以需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,剔除掉冗余數(shù)據(jù),提取地下車庫的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖6所示,利用Z+FLasercontrol軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去除噪聲等操作,直接得到地下車庫的三維模型,如圖7所示。

圖6　數(shù)據(jù)濾波、剔除噪聲

圖7　濾波后的地下車庫三維模型

5 精度分析

地下車庫三維建模完成后,對出口處的標(biāo)靶紙中心坐標(biāo)進(jìn)行提取,與TM30全站儀采用無棱鏡方法測得的坐標(biāo)進(jìn)行對比分析,計(jì)算出每個(gè)標(biāo)靶紙中心的偏差,如表2所示。

出口處標(biāo)靶紙中心坐標(biāo)偏差 表2

結(jié)合以上分析可以看出,地下車庫模型處標(biāo)靶的最小誤差為1．6 mm,最大誤差為6．2 mm,平均誤差為3．2 mm,可以判斷點(diǎn)云拼接模型的數(shù)據(jù)各項(xiàng)精度指標(biāo)良好,完全滿足地下工程的數(shù)據(jù)精度要求。

6 總 結(jié)

本文對利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地下建筑三維建模的流程進(jìn)行了詳細(xì)的描述,并以地下車庫為實(shí)例,驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在地下建筑三維建模過程中的可行性。結(jié)果表明,模型的精度誤差控制在±7 mm之內(nèi),滿足地下工程測量的精度要求。同時(shí),與傳統(tǒng)測量方法相比,三維激光掃描技術(shù)表現(xiàn)出精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn),減輕了測量工作人員的強(qiáng)度,為地下工程測量提供了新途徑。

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Research on the Application of 3D Laser Scanning Technology in the Construction of 3D Modeling of Underground Building

Xu He,Zhang Wen Chun,Lin Nan
(School of Geomatics and Prospecting Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China)

Abstract:Underground structures of 3d modeling attracting increasing attention,this article takes an underground garage in Changchun city as an example to construct 3d modeling of it,introduces the way of using 3d laser scanning technology to build 3d modeling of the underground garage, and analyze positional accuracy of the method．Results show that compared with the traditional method, the precision and efficiency are greatly improved, and instructive to the underground construction of the 3d modeling．

Key words:3d modeling;underground engineering;3d laser scanning;pointcloud data

文章編號:1672-8262(2015)06-82-04中圖分類號:P234．1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

收稿日期:?2015—10—08

作者簡介:徐賀(1990—),男,碩士研究生,研究方向:三維激光掃描儀的應(yīng)用。

基金項(xiàng)目:吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20120437)