焦琪琳　王瀚　李思遠(yuǎn)　魏歌頌　柳君妍

【摘要】與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有非接觸性、速度快、密度高、精度高、穿透性強(qiáng)、自動(dòng)化等特點(diǎn)。這種測(cè)量方法使得對(duì)建筑物的變形監(jiān)測(cè)工作更簡(jiǎn)化，更易控制。簡(jiǎn)要介紹了三維激光掃描儀的工作原理，建筑物變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和方法，以及數(shù)據(jù)的采集和處理。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù)古建筑變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)云

1? 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀一般分為脈沖式、相位差式和三角測(cè)距式三維激光掃描儀，應(yīng)用最為廣泛的是脈沖式三維激光掃描儀。三維激光掃描系統(tǒng)主要分為激光測(cè)距和激光掃描系統(tǒng)，利用激光測(cè)距原理，通過(guò)掃描儀發(fā)射激光和脈沖在物體之間的往返時(shí)間來(lái)進(jìn)行測(cè)距，對(duì)物體進(jìn)行掃描，獲取被掃描物體上大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度，最終對(duì)獲取的所有坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云進(jìn)行被測(cè)建筑物的三維建模，并對(duì)其進(jìn)行變形分析。

掃描儀發(fā)射激光束，遇到被掃描物體后返回接收器，以此獲取與被測(cè)點(diǎn)p之間的觀測(cè)距離S，編碼器同步測(cè)量每條光束橫向角度α和縱向角度θ。掃描儀一般是以自身的坐標(biāo)系，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸與X軸垂直并且在同一平面內(nèi)，Z軸與X軸Y軸相互垂直（如圖1）[1]。

由此可得被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)公式：

X=S×cos^θcos^α

Y=S×cos^θcos^α

Z=S×sin^θ

2? 數(shù)據(jù)的采集

在數(shù)據(jù)采集之前需要用RTK測(cè)定多個(gè)控制點(diǎn)，用于架設(shè)測(cè)站。對(duì)古建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要根據(jù)其周?chē)唧w的情況設(shè)置多個(gè)測(cè)站點(diǎn)、多個(gè)機(jī)位，以避免測(cè)量的數(shù)據(jù)不完整。設(shè)置測(cè)站的多少要依據(jù)古建筑的大小、形狀、位置來(lái)確定，為了避免數(shù)據(jù)處理時(shí)點(diǎn)云的誤差太大，要保證多個(gè)測(cè)站點(diǎn)對(duì)靶標(biāo)的測(cè)量，這樣很大程度的減少誤差。測(cè)站點(diǎn)的距離設(shè)置適中，距離越遠(yuǎn)精度越差。在確保了精度的情況下，對(duì)古建筑的變形監(jiān)測(cè)中我們主要需要獲取的是變形數(shù)據(jù)，就是不同時(shí)間段的靶標(biāo)的不同的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)靶標(biāo)的數(shù)據(jù)把多的測(cè)站點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)相聯(lián)系在一起，形成一個(gè)整體，對(duì)比不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)獲取變形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集需要采集的數(shù)據(jù)主要有標(biāo)靶的三維坐標(biāo)、建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

3? 數(shù)據(jù)的處理

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的處理使其能轉(zhuǎn)換成三維模型。由于掃描儀所使用的坐標(biāo)系是以自身測(cè)站位置為坐標(biāo)原點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系，而大型建筑物往往是多個(gè)測(cè)站進(jìn)行掃描，因此由掃描儀獲取的多個(gè)點(diǎn)云圖的點(diǎn)云坐標(biāo)并非處于同一個(gè)坐標(biāo)系下，需要轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的坐標(biāo)，以便于數(shù)據(jù)的處理。

3.1? 點(diǎn)云去噪。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)包含一些無(wú)法預(yù)知的情況，比如掃描現(xiàn)場(chǎng)中有人員經(jīng)過(guò)，有小鳥(niǎo)飛過(guò)，或者由于天氣原因，空中有紙片、灰塵等，或者因?yàn)閮x器本身存在的誤差出現(xiàn)的高于房屋的點(diǎn)以及在地面以下的點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)掃描對(duì)象表面以外的雜點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果的不理想。因此要去除這些噪聲點(diǎn)，以保證之后三維建模的精度?？衫肨rimble Realworks處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云去噪，去除與被掃描物體無(wú)關(guān)的噪聲點(diǎn)。

3.2? 點(diǎn)云拼接。使用三維激光掃描儀對(duì)古建筑物進(jìn)行掃描的時(shí)候，一般要在建筑物的四周設(shè)站，使用掃描儀在多個(gè)測(cè)站進(jìn)行掃描，以便得到完整全面的建筑物三維信息，三維激光掃描儀得到的多個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)信息只能得到其掃描范圍內(nèi)的信息，整個(gè)建筑物的完整數(shù)據(jù)需要對(duì)多個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。當(dāng)被掃描物體太大時(shí)，視線的限制或者掃描現(xiàn)場(chǎng)過(guò)于復(fù)雜等各種原因的影響，可能會(huì)出現(xiàn)某一站作業(yè)不能完整被掃描場(chǎng)地或者物體的全面信息，因此需要從不同的角度、多個(gè)測(cè)站掃描的方法才能獲得全面的信息，需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系后進(jìn)行點(diǎn)云拼接。

3.3? 三維模型的建立。以上獲取并處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可通過(guò)AutoCAD或者其他建模軟件繪制建筑模型的平面圖、立面圖等，可以在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建出物體的三維模型，這些模型并沒(méi)有與實(shí)際物體相對(duì)應(yīng)的紋理，即沒(méi)有色彩，只有物體的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.4? 貼紋理。貼紋理的目的是利用紋理色彩還原三維模型，使模型更為逼真。其原理就是使用實(shí)際拍攝的真彩色影像把紋理色彩映射在三維模型上，使三維模型更為貼合真實(shí)物體，從而依據(jù)模型進(jìn)行多重分析，也可在其他可視化軟件比如3DMAX中導(dǎo)入三維立體模型。

4? 結(jié)束語(yǔ)

古建筑產(chǎn)生變形的原因是多種多樣的，其變形監(jiān)測(cè)的目的在于確保建筑物能夠保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ζ浯嬖诘陌踩[患作出及時(shí)的預(yù)測(cè)，采取有效的預(yù)防措施。目前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)，相比傳統(tǒng)的測(cè)量方法，它具有一系列的優(yōu)越性，為大型古建筑監(jiān)測(cè)保護(hù)工作提供了有力的技術(shù)手段。

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