胡玉祥，李勇，張洪德，王智，2，孟慶年

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

伴隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，利用掃描儀快速獲取三維空間信息，真實(shí)還原建筑物的三維實(shí)景，成為近幾年迅速發(fā)展的熱門話題。激光掃描儀本身具有很高的測(cè)量效率、較高的測(cè)量精度、動(dòng)態(tài)反映物體實(shí)景等優(yōu)點(diǎn)，為科學(xué)準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型提供了一種全新的技術(shù)手段。相對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法，三維激光掃描技術(shù)可以在單位時(shí)間內(nèi)獲取精度高、數(shù)據(jù)量大的三維空間信息，且可以連續(xù)反映被測(cè)物體的空間特征，提高了測(cè)量的效率和精度，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)建筑物立面測(cè)量通常是利用全站儀獲取建筑物各角點(diǎn)(特征點(diǎn))的三維坐標(biāo)，結(jié)合測(cè)距儀等測(cè)量手段，獲取建筑物的細(xì)部尺寸，然后利用CAD等成圖軟件繪制建筑物立面，生成數(shù)字線劃圖。這種手段投入人力大、測(cè)量效率低、工期長、工作量大。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文結(jié)合青島市勘察測(cè)繪研究院新購置的徠卡新一代高精度三維激光掃描儀P40，探索三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測(cè)量中的應(yīng)用，對(duì)P40外業(yè)作業(yè)流程以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了論述，同時(shí)對(duì)點(diǎn)云提取建筑物特征點(diǎn)、線等精度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明通過三維激光掃描手段完全可以滿足建筑物立面測(cè)繪要求。

2 基礎(chǔ)理論

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。地面三維掃描系統(tǒng)一般使用儀器自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：坐標(biāo)原點(diǎn)位于掃描儀中心，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面組成左手坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 掃描坐標(biāo)系

激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)測(cè)算出原點(diǎn)O距激光掃描點(diǎn)的距離S；激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精確控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描，測(cè)得每個(gè)脈沖激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ。由此，可計(jì)算出掃描激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)為[2]：

(1)

3 作業(yè)流程

三維激光掃描儀作業(yè)流程主要涉及外業(yè)掃描以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。外業(yè)掃描主要涉及現(xiàn)場(chǎng)踏勘、控制點(diǎn)選埋、標(biāo)靶布設(shè)、架站選擇以及數(shù)據(jù)采集幾部分；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要涉及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云優(yōu)化、點(diǎn)云融合、點(diǎn)云切割以及平立面繪制等環(huán)節(jié)。如圖2所示。

圖2 作業(yè)流程

3.1 外業(yè)掃描

(1)控制點(diǎn)選埋

地面三維掃描系統(tǒng)可以進(jìn)行絕對(duì)掃描和相對(duì)掃描，如果外業(yè)掃描過程中給標(biāo)靶絕對(duì)坐標(biāo)位置，則可以直接獲取建筑物的絕對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這就需要在被掃描建筑物周邊布設(shè)一定量的控制點(diǎn)，控制點(diǎn)布設(shè)以方便利用為原則：控制點(diǎn)的精度要高于建筑物點(diǎn)云精度要求；一個(gè)控制點(diǎn)至少與另一個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行通視。具體控制測(cè)量布設(shè)遵循《城市測(cè)量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)具體要求。

(2)標(biāo)靶布設(shè)

P40在掃描過程中只識(shí)別配套的黑白標(biāo)靶，布設(shè)標(biāo)靶的目的是使整個(gè)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到絕對(duì)坐標(biāo)系中。同時(shí)，標(biāo)靶布設(shè)精度影響后續(xù)點(diǎn)云的拼接精度，因而標(biāo)靶布設(shè)要考慮網(wǎng)形。為保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，公共標(biāo)靶盡量和測(cè)站點(diǎn)不要在一條直線上；標(biāo)靶和測(cè)站必須通視，且距離測(cè)站不要太遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)不能超過 75 m。

(3)數(shù)據(jù)采集

P40外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程類似于全站儀操作，大致包括對(duì)中整平、儀器安置、掃描參數(shù)設(shè)置以及換站等幾個(gè)過程。P40主要性能指標(biāo)如表1所示。

三維激光掃描儀性能參數(shù) 表1

3.2 數(shù)據(jù)處理

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

如果外業(yè)掃描過程中未使用絕對(duì)坐標(biāo)系，三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云僅是點(diǎn)與點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系，這就需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過公共點(diǎn)(公共標(biāo)靶)來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換過程通常利用布爾莎7參數(shù)模型，即：

(2)

式中，3個(gè)平移參數(shù)[△X△Y△Z]T，3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)[εXεYεZ]T和1個(gè)尺度參數(shù)m，無單位。

(2)點(diǎn)云拼接和優(yōu)化

點(diǎn)云拼接是將多站掃描數(shù)據(jù)拼接到一個(gè)整體的過程，一般有兩種方式：基于標(biāo)靶的拼接和基于點(diǎn)云視圖的拼接。如果各站測(cè)量都是絕對(duì)坐標(biāo)系下掃描得到的，則不需要拼接，直接把各站掃描數(shù)據(jù)拷貝到一個(gè)Model Space下即可形成一個(gè)完整的整體。如果外業(yè)采集使用的是標(biāo)靶相對(duì)坐標(biāo)，則需要進(jìn)行基于標(biāo)靶的拼接，此過程即是尋找同名標(biāo)靶并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程。然而有些時(shí)候?yàn)榱送鈽I(yè)作業(yè)方便，在外業(yè)掃描時(shí)不采用標(biāo)靶，直接重復(fù)一定數(shù)量的公共區(qū)域，此時(shí)可以利用兩站直接的公共區(qū)域進(jìn)行基于視圖的拼接，基于視圖的拼接即通過人眼判斷點(diǎn)云的公共區(qū)域，尋找重合點(diǎn)，通過視圖的平移和旋轉(zhuǎn)，使得兩站數(shù)據(jù)拼接在一起的方法，此方法操作簡單，但受人為因素影響較大，一般不建議使用，除非特殊情況下才可以有視圖拼接。

(3)點(diǎn)云融合和去噪

點(diǎn)云融合就是將不同站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并在一起的過程，在外業(yè)掃描過程中，每站都會(huì)有很多的重合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將各站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起就造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊，點(diǎn)云融合的目的就是根據(jù)點(diǎn)云歸一化算法將重疊點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化的過程；在掃描儀的原始點(diǎn)云中往往包含若干對(duì)于成果處理有不良影響的點(diǎn)，點(diǎn)云去噪就是根據(jù)一定的點(diǎn)云濾波算法，讓有效點(diǎn)保留，無效點(diǎn)刪除的過程。

(4)平立面繪制

徠卡P40專業(yè)點(diǎn)云后處理軟件Cyclone具有良好的可擴(kuò)展性，通過開發(fā)相應(yīng)的插件可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與一些專業(yè)繪圖軟件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)進(jìn)行互通。首先進(jìn)行坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和網(wǎng)格建立，定義參考面，使得點(diǎn)云便于人眼識(shí)別提取，然后利用Cyclone進(jìn)行點(diǎn)云的切片處理；利用CAD插件CloudWorx導(dǎo)入切割好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在CAD中提取建筑物的特征點(diǎn)、線，繪制建筑物的平面、剖面和立面圖。

4 工程應(yīng)用與分析

中國海洋大學(xué)魚山校區(qū)內(nèi)擁有眾多歷史古建筑，保留較為完整，至今仍在發(fā)揮作用，作為教學(xué)樓使用，其中最為典型的是俾斯麥兵營。受中國海洋大學(xué)委托，青島市勘察測(cè)繪研究院承擔(dān)海洋大學(xué)魚山校區(qū)校園內(nèi)建筑物BIM建模工作，而在建模過程中很重要的一步便是繪制建筑物的平立面圖，而建筑物平立面測(cè)繪傳統(tǒng)方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

本文利用青島市勘察測(cè)繪研究院新購置的徠卡P40三維激光掃描儀，結(jié)合與儀器配套的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 9.1及AutoCAD點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理插件CloudWorx，探索三維激光掃描儀在建筑物(以海洋大學(xué)某舊教學(xué)樓為例)立面測(cè)繪中的應(yīng)用，同時(shí)與全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)提取建筑物點(diǎn)、線精度。

(1)按照上述作業(yè)步驟進(jìn)行外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，生成海大舊教學(xué)樓的平立面圖，如圖4～圖9所示。

圖3海大舊教樓全景圖

圖4 海大舊教樓正面圖

圖5 海大舊教樓立面圖(南)

圖6 海大舊教樓立面圖(北)

圖7海大舊教樓側(cè)視圖(東)

圖8 海大舊教樓立面圖(東)

圖9 海大舊教樓一層平剖面圖

(2)點(diǎn)云提取點(diǎn)、線與全站儀等傳統(tǒng)測(cè)量方法精度比較

本文對(duì)海大新教學(xué)樓提取15個(gè)特征點(diǎn)，利用全站儀測(cè)量坐標(biāo)與點(diǎn)云提取坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，求得點(diǎn)位中誤差，如表2所示：

點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比 表2

對(duì)建筑物特征線提取12條邊，與全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如表3所示：

點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比 表3

從表2可見，除個(gè)別特征點(diǎn)(8、9、11、12)，邊(2、8、9、10)與全站儀對(duì)比較差較大( 3 cm～4 cm左右)，其余較差較??；經(jīng)實(shí)地查看和內(nèi)業(yè)查找，特征點(diǎn)8、9、10處存在較大接觸面，另外與人眼識(shí)別誤差以及外業(yè)掃描入射角度有較大關(guān)系。

由上可以看出，利用架站式三維激光掃描儀P40繪制建筑物平立面圖點(diǎn)位中誤差在 2 cm左右，邊長中誤差在 3 cm左右，根據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)要求，P40完全可以滿足建筑物立面測(cè)量精度要求。

5 結(jié) 論

隨著社會(huì)的發(fā)展以及技術(shù)進(jìn)步，三維激光掃描得到了越來越廣泛的應(yīng)用，本文探索將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到建筑物立面測(cè)繪中，對(duì)三維激光掃描儀P40的作業(yè)過程進(jìn)行了闡述，結(jié)合專業(yè)的點(diǎn)云后處理軟件Cyclone，對(duì)掃描儀內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行了重點(diǎn)論證。通過實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，利用P40提取建筑物特征點(diǎn)、線中誤差完全可以滿足建筑物平立面測(cè)量精度要求；相比傳統(tǒng)測(cè)量手段，三維激光掃描技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以供其他方面應(yīng)用，三維激光掃描技術(shù)為建筑物立面測(cè)量提供了一種全新手段，具有很好的實(shí)用意義。

但從目前來看，三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用潛力還有待進(jìn)一步的開發(fā)利用。隨著多源傳感器的迅速發(fā)展，多源數(shù)據(jù)融合有待進(jìn)一步研究，三維激光掃描技術(shù)勢(shì)必會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。