凌敏

摘 要：隨著科技的革新，GPS和CORS空間定位系統(tǒng)逐漸發(fā)展完善，3D激光掃描技術(shù)在測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域越發(fā)引起關(guān)注，該技術(shù)可以對(duì)大范圍的空間點(diǎn)位信息進(jìn)行迅速的采集，通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，構(gòu)建觀測(cè)體的三維影像。文章在介紹Focus 3D X330系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用該技術(shù)應(yīng)用于上海某小區(qū)建筑群的三維影像模型構(gòu)建，效果良好。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；測(cè)繪技術(shù)；影像模型；建筑

中圖分類號(hào)：P225.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0155-02

1 概述

3D激光掃描技術(shù)是近二十來年開始發(fā)展起來的一項(xiàng)基于空間定位系統(tǒng)的高新技術(shù)，尤其是對(duì)物體的精確刻畫能力，故又名實(shí)景復(fù)制技術(shù)。它通過高速激光對(duì)物體的掃描測(cè)量，高分辨率、大范圍地、快速地獲取觀測(cè)對(duì)象的三維坐標(biāo)空間信息數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)軟件對(duì)采集的空間點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，力圖逼真構(gòu)建觀測(cè)體三維影像情景。該技術(shù)具有采集數(shù)據(jù)精度高和點(diǎn)位密集度高，信息數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化和數(shù)字化強(qiáng)大，信息數(shù)據(jù)采集迅速、主動(dòng)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性好以及數(shù)據(jù)采集時(shí)無(wú)需接觸物體并具有一定的穿透性等特征，其快速發(fā)展和在實(shí)踐中的應(yīng)用有可能又會(huì)引起測(cè)量技術(shù)的突飛猛進(jìn)。

3D激光掃描技術(shù)，其原理是利用激光測(cè)距的方法，通過觀測(cè)目標(biāo)物體表層海量的、高密集的空間點(diǎn)位的三維坐標(biāo)信息以及目標(biāo)物體不同部位的紋理和反射率，有效地構(gòu)建出觀測(cè)目標(biāo)的三維空間模型以及線、面、體等各種類型圖件。3D激光掃描技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量（如RTK），也是測(cè)量領(lǐng)域由點(diǎn)至面信息數(shù)據(jù)采集的一次革命性技術(shù)突破?，F(xiàn)今，該技術(shù)在建筑建模、建筑形變監(jiān)測(cè)、室內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、地產(chǎn)行業(yè)高端建筑群設(shè)計(jì)、文化考古、數(shù)字工廠（管道、船舶和油罐）、地形掃描、地下礦區(qū)以及特殊環(huán)境等領(lǐng)域的關(guān)注度日益增強(qiáng)。鑒于此技術(shù)的實(shí)用性，在現(xiàn)代職業(yè)教育中，為了使課堂教學(xué)更好的服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐，各學(xué)校也陸續(xù)開始購(gòu)置三維激光掃描儀，如上海市城市建設(shè)工程學(xué)校（上海市園林學(xué)校）于2017年5月份購(gòu)置了兩臺(tái)Focus 3D X350新型激光掃描儀，并開始應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

2 Focus 3D X350系統(tǒng)介紹

Focus 3D X350是一款最新、最先進(jìn)的高速3D激光掃描儀。Focus 3D X350只需要花費(fèi)幾分鐘的時(shí)間，就能對(duì)比較復(fù)雜的觀測(cè)體的幾何形狀提供詳細(xì)的、高仿真性的三維模擬情景圖像。新型的Focus 3D X350是一款超長(zhǎng)測(cè)量距離的高速三維掃描儀，將掃描范圍擴(kuò)展至全新的尺寸，能夠在陽(yáng)光直射下掃描最遠(yuǎn)距離為 330 米的物體。同時(shí)，利用所集成的GPS接收器，這款激光掃描儀能夠使每次掃描與后處理相互關(guān)聯(lián)，而成為測(cè)量型應(yīng)用的理想選擇。

2.1 Focus 3D X350功能優(yōu)勢(shì)

Focus 3D X350新型激光掃描儀利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)了操作的簡(jiǎn)單化和直觀化，具有如下功能：（1）集成式傳感器；（2）獨(dú)立解決方案；（3）外形小巧；（4）集成彩色照相機(jī)；（5）數(shù)據(jù)管理。除上述功能外，還集成有 GPS 傳感器，能夠讓每次掃描與后處理相互關(guān)聯(lián)，使其成為測(cè)量型應(yīng)用的理想選擇。

2.2 Focus 3D X350使用優(yōu)勢(shì)

（1）應(yīng)用多樣化。X350具有簡(jiǎn)單的儀器操控、外觀設(shè)計(jì)小巧人性化， 在記錄建筑施工監(jiān)管、3D建筑設(shè)計(jì)、復(fù)雜工程、歷史文化遺產(chǎn)保存等方面能夠滿足各種實(shí)踐應(yīng)用需求。

（2）記錄室內(nèi)環(huán)境。利用X350可以快速的對(duì)各種領(lǐng)域的室內(nèi)環(huán)境和技術(shù)設(shè)施（如市政建筑施工、大型精密儀器的傳送系統(tǒng)）進(jìn)行3D記錄生成。

（3）記錄產(chǎn)品和組件信息。不管是在工藝產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行大型機(jī)械組件的檢查，還是在復(fù)雜多變的鋼架結(jié)構(gòu)工程中，X350均能有效的對(duì)各種形狀和尺寸的產(chǎn)品和組件進(jìn)行掃描測(cè)量，并自動(dòng)生成詳細(xì)、高精度的數(shù)據(jù)和搭建觀測(cè)體的三維實(shí)景模型。

（4）記錄室外環(huán)境。X350可以對(duì)道路、河流、建筑物和各類景觀特點(diǎn)進(jìn)行精確記錄，其最遠(yuǎn)可將120m外的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

3 應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況

掃描區(qū)域是上海市某小區(qū)，實(shí)施項(xiàng)目是小區(qū)剛建成竣工，業(yè)主單位希望通過對(duì)整片小區(qū)進(jìn)行快速的測(cè)量，從而快速得到小區(qū)內(nèi)建筑建成后的平面圖以及建筑拐點(diǎn)坐標(biāo)，從而對(duì)比設(shè)計(jì)之初與建成之后的相對(duì)偏差，為后期附屬設(shè)施的建設(shè)和布置提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參照。并且希望同時(shí)獲得小區(qū)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)模型，從而傳輸?shù)綌?shù)字城市平臺(tái)完善更新。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1 掃描作業(yè)前的準(zhǔn)備

本次掃描是為實(shí)現(xiàn)9棟居民樓進(jìn)行立面圖繪制和建模，為了達(dá)到要求目的，必須順利采集9棟房屋的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并使得房屋點(diǎn)云能夠有效、精確的進(jìn)行拼接，并且減少架站點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3.2.2 作業(yè)詳細(xì)步驟

根據(jù)測(cè)試要求，根據(jù)所提供的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)和位置，為了更好的在點(diǎn)云上反應(yīng)小區(qū)完整的信息，便于模型的建立，根據(jù)后方交會(huì)的原理，一共架設(shè)了22個(gè)站點(diǎn)和10個(gè)控制點(diǎn)。站點(diǎn)架設(shè)儀器位置，每一站都選擇盡可能多的反應(yīng)房屋內(nèi)容或者重點(diǎn)需要表達(dá)的部位，站點(diǎn)之間需要至少2個(gè)控制點(diǎn)，標(biāo)靶擺放在控制點(diǎn)上，標(biāo)靶正對(duì)著掃描儀，這樣在掃描儀精掃標(biāo)靶的時(shí)候掃描到盡可能多的點(diǎn)，降低擬合標(biāo)靶中心位置的誤差，并且標(biāo)靶放置在盡量離掃描儀遠(yuǎn)的位置，這樣在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程中也把坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差降低到最小。

3.2.3 標(biāo)靶中心坐標(biāo)的獲取

掃描儀旋轉(zhuǎn)一周后，在PC上通過軟件找到掃描點(diǎn)云反射率90%以上的物體（標(biāo)靶），掃描儀會(huì)精細(xì)掃描標(biāo)靶，在這個(gè)標(biāo)靶上會(huì)掃描4000個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過這4000個(gè)點(diǎn)擬合出來標(biāo)靶的中心，如果標(biāo)靶是圓形的，則擬合出來標(biāo)靶圓心。用全站儀獲取標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，只需望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)標(biāo)靶的中心即可。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理endprint

3.3.1 數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與拼接

把全站儀采集的標(biāo)靶數(shù)據(jù)導(dǎo)出來，在Excel里編輯成（E N Z）格式的數(shù)據(jù)，在以.csv的數(shù)據(jù)格式保存下來。把數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，在軟件的左邊樹狀菜單欄下面有個(gè)TPL（PRCS），雙擊打開，導(dǎo)入特征點(diǎn)數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。掃描儀掃描的時(shí)候會(huì)以激光發(fā)射中心做為坐標(biāo)原點(diǎn)，起始方向做為X軸建立坐標(biāo)系（SOCS），即掃描儀坐標(biāo)系，掃描的站點(diǎn)是互不關(guān)聯(lián)的。這些特征點(diǎn)符合好了，那么所有的點(diǎn)都轉(zhuǎn)換到全站儀使用的坐標(biāo)系中。把掃描儀掃描的坐標(biāo)系導(dǎo)入到軟件以后，使用后視方法，軟件就會(huì)自動(dòng)的解算相關(guān)位置，等結(jié)算完，坐標(biāo)也轉(zhuǎn)換了（可以用自動(dòng)校準(zhǔn)模塊來多點(diǎn)云進(jìn)行更詳細(xì)的拼接，用以提高精度）。

3.3.2 剔除贅余點(diǎn)

3D激光掃描儀會(huì)把所觀測(cè)的目標(biāo)進(jìn)行整體掃描，這樣掃描下來的點(diǎn)位空間信息數(shù)據(jù)肯定會(huì)有部分的贅余數(shù)據(jù)，在對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行3D情景模型以前，需要根據(jù)不同的需求去選擇實(shí)用性數(shù)據(jù)，同時(shí)過濾掉部分不需要的數(shù)據(jù)或者人工刪除那些非點(diǎn)數(shù)據(jù)。本次任務(wù)主要是獲取9棟建筑物，所以可以選擇性的保留下來9棟建筑物的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，把其他的與此無(wú)關(guān)的多余點(diǎn)位空間數(shù)據(jù)剔除。

3.4 數(shù)據(jù)整理和成果展示

利用過濾后的點(diǎn)云進(jìn)行加工，我們將點(diǎn)云導(dǎo)入CAD之中，使用相關(guān)控件，直接在點(diǎn)云上對(duì)房屋進(jìn)行模型建立。

（1）導(dǎo)入CAD之后，使用point cloud控件，直接在點(diǎn)云上建立面片和房屋整體模型。

（2）利用CAD中的KUBIT插件，根據(jù)導(dǎo)入的樓體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，直接建立的白模。

（3）利用3D-MAX軟件，為建立好的模型貼紋理，使得效果更佳的逼真。

經(jīng)過以上操作流程之后，附有色彩信息的三維立體模型就可以順利的展示出來。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過3D激光掃描儀對(duì)整個(gè)建筑群的掃描，獲取了該小區(qū)建筑群的實(shí)際尺寸的各項(xiàng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后期通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，生成該小區(qū)建筑群的3D立體模型，從而得到相應(yīng)的三維模型數(shù)據(jù)，擁有模型數(shù)據(jù)后便能提取任意的二維線畫圖資料。

建筑建模是三維激光掃描儀的一大主要應(yīng)用方向，掃描儀的特性決定了應(yīng)用于建筑掃描將非常得心應(yīng)手，因?yàn)闊o(wú)論多復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)掃描儀都能完整細(xì)致地將每個(gè)建筑細(xì)節(jié)真實(shí)得從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的角度反映出來，而且精度范圍可控，加上現(xiàn)今建模軟件越加趨于完善，尤其針對(duì)三維點(diǎn)云建模的軟件和插件層出不窮，為三維掃描儀應(yīng)用于建筑建模、建筑形變監(jiān)測(cè)、室內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑規(guī)劃、地產(chǎn)行業(yè)高端建筑群設(shè)計(jì)、文化考古、數(shù)字工廠（管道、船舶和油罐）、地形掃描、地下礦區(qū)以及特殊環(huán)境等領(lǐng)域提供了強(qiáng)勁的技術(shù)支持。

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