摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)成為了目前測(cè)繪地理信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文通過(guò)利用地面三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，然后通過(guò)噪聲去除、數(shù)據(jù)拼接、提取特征線等一系列的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理研究，最終通過(guò)建立被測(cè)建筑物的線框模型，利用Geomagic studio軟件完成了三維模型的創(chuàng)建，對(duì)數(shù)字建筑物的實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；建筑物建模；特征線

0 前言

地面三維激光掃描技術(shù)，也稱為“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，被譽(yù)為是“繼GPS技術(shù)以后的有一次測(cè)繪技術(shù)的革命”。目前，國(guó)外對(duì)三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的研究和開發(fā)已經(jīng)有了相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)，像加拿大、美國(guó)、日本等多家高科技公司都已經(jīng)研發(fā)出了自己的代表產(chǎn)品并且技術(shù)成熟，效果良好。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模正不斷擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)對(duì)于三維激光掃描重建技術(shù)起步比較晚，但是也在部分領(lǐng)域取得一定的成果。本文以建筑物為對(duì)象，以faro三維激光掃描儀為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的外業(yè)采集，內(nèi)業(yè)處理和校園建筑物建模方法研究，對(duì)數(shù)字建筑物的實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行探索。

1 技術(shù)原理

三維激光掃描儀是一種新型的三維激光坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，它集成了許多高新技術(shù)于一身，利用激光的高速性和非接觸性的特性，采集地物表面以陣列形式表達(dá)的幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀主要是由激光測(cè)距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、支架系統(tǒng)等但三部分組成的。此外有的可能還集成有內(nèi)部校正和CCD數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)。

由于現(xiàn)在的激光測(cè)距系統(tǒng)有多種，所以其工作原理也不盡相同。所以這里我選取其中比較有代表性的也是在實(shí)際應(yīng)用中比較常見的基于脈沖式測(cè)距原理的地面三維激光掃描儀，其工作原理為：由激光發(fā)射器向掃描目標(biāo)主動(dòng)發(fā)射激光，并由接收透鏡回收來(lái)自目標(biāo)物表面的反射信號(hào)。然后使用時(shí)間計(jì)數(shù)器對(duì)激光發(fā)射時(shí)間與回收時(shí)間的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到掃描儀和掃描點(diǎn)的距離S；精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖的橫向掃描角度的觀測(cè)值和縱向掃描角度的觀測(cè)值。根據(jù)以上獲得的距離和角度值可以通過(guò)計(jì)算得出每個(gè)掃描點(diǎn)相對(duì)于觀測(cè)站點(diǎn)的空間相對(duì)坐標(biāo)，如圖1所示。圖中，坐標(biāo)原點(diǎn)O是測(cè)站點(diǎn)，X軸為橫向掃描方向，Z軸為縱向掃描方向，Y軸垂直于X軸和Z軸構(gòu)成的平面。

2 建筑物建模實(shí)現(xiàn)

建筑物建模實(shí)現(xiàn)流程基本需要三個(gè)環(huán)節(jié)，第一是掃描工作方案的制定，第二是采集所需要的外業(yè)數(shù)據(jù)，第三是將采集到的外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理然后建立模型。

首先要先選定測(cè)量目標(biāo)，然后根據(jù)測(cè)量目標(biāo)來(lái)制定相符合的測(cè)量掃描方案。為了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性最好是進(jìn)行實(shí)地踏勘，觀察一下目標(biāo)物周圍的環(huán)境，選出一條合適的測(cè)量路線。計(jì)算出所需要的測(cè)站數(shù)量和標(biāo)靶數(shù)量，并在相應(yīng)的測(cè)站位置和標(biāo)靶位置做好標(biāo)記，方便下一步進(jìn)行測(cè)量。

要想保證外業(yè)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和合理性，首先要確定合理的掃描范圍。掃描范圍過(guò)大有可能將無(wú)關(guān)的噪聲數(shù)據(jù)包含進(jìn)去，掃描范圍過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)不夠。所以一定要確定一個(gè)合理的待測(cè)范圍，可以利用三維激光掃描儀照準(zhǔn)裝置中的粗瞄準(zhǔn)器大致的確定目標(biāo)建筑物的最大對(duì)角線范圍，即可確定為待測(cè)范圍。其次就是要根據(jù)待測(cè)區(qū)域的實(shí)際環(huán)境狀況、待測(cè)物體的復(fù)雜程度和實(shí)際應(yīng)用需求來(lái)確定合適的采樣密度和掃描距離。待這些儀器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢后，即可開始采集數(shù)據(jù)了。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理就是使用相關(guān)的軟件對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理修改的復(fù)雜過(guò)程。這個(gè)過(guò)程一般包括噪聲去除、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及拼接和數(shù)據(jù)消冗等必要環(huán)節(jié)，缺一不可。

2.1噪聲去除。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜性，在實(shí)地測(cè)量的過(guò)程中難免會(huì)受到各種自然因素和人為因素的影響，所以所測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不可避免的會(huì)包含一些沒(méi)有用的噪聲數(shù)據(jù)。要想得到高質(zhì)量高精度的三維建模，就必須進(jìn)行去噪處理，從而降低或者消除噪聲的不良影響。

2.2數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及拼接。由于掃描物體的外觀形狀的不規(guī)則性和周圍環(huán)境的多樣性，比如建筑物的不完整或者周圍建筑物和植物的遮擋，這就導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中往往需要從多種角度多個(gè)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)拼接就是將測(cè)得的多種坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成同一坐標(biāo)系中，將各個(gè)站點(diǎn)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成一個(gè)數(shù)據(jù)文件。

2.3數(shù)據(jù)消冗。在完成將各個(gè)測(cè)站點(diǎn)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后，在掃描重疊區(qū)域的重復(fù)采樣點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)生成很多重復(fù)無(wú)用的數(shù)據(jù)，這就是數(shù)據(jù)的冗余問(wèn)題。為了不影響建模的質(zhì)量，就要消除這些冗余數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

地面三維激光掃描儀改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的測(cè)量方式，它可以密集連續(xù)的獲取數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)采集的速度和準(zhǔn)確度。本文闡述了三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理和流程，在此基礎(chǔ)上對(duì)建筑物建模的實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了研究，并對(duì)噪聲去除，數(shù)據(jù)拼接等環(huán)節(jié)進(jìn)行了解釋，完成了建模。初步試驗(yàn)表明，三維激光掃描系統(tǒng)可以快速高質(zhì)量的建筑物建模的三維建模，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的途徑之一。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

張磊（1983-），研究方向：地理信息技術(shù)、環(huán)保相關(guān)