張 濤,楊文濤,李志遠(yuǎn)

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

當(dāng)代建筑以外型展現(xiàn)文化風(fēng)格,以平面形態(tài)體現(xiàn)使用功能.復(fù)雜建筑外型以實(shí)體的空間形態(tài)和平面造型的形式表現(xiàn)出來[1],或是建筑物本身占地面積較大,高度可達(dá)數(shù)百米;或是建筑外型具有曲面、傾斜等藝術(shù)效果的構(gòu)造;或是表面材質(zhì)類型多樣,具有顏色、粗糙度及光學(xué)性質(zhì)的不同等特征.地面三維激光掃描技術(shù)(Terrestrial 3D laser scanning,簡(jiǎn)寫TLS)是以激光測(cè)距方式獲取點(diǎn)位坐標(biāo)等信息的高新測(cè)繪技術(shù)[2-3].與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比,它可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境空間中,對(duì)各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、非標(biāo)準(zhǔn)的建筑實(shí)體或建筑平面形態(tài)進(jìn)行掃描,從而快速完整地獲取復(fù)雜外型建筑物的三維點(diǎn)云信息[4-5].近幾年,基于TLS的建筑物測(cè)繪方法普及較快,對(duì)于復(fù)雜外型建筑物的測(cè)量方法研究也逐漸受到重視[6-8].鄭德華等[9]人從儀器誤差、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件影響3個(gè)方面分析了三維激光掃描系統(tǒng)誤差影響;邢漢發(fā)等[10]人證明了三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物測(cè)量中具有較好的應(yīng)用前景;張平等[11]人以重慶市超高層塔樓工程為實(shí)例研究了三維激光掃描技術(shù)的異型建筑物建筑面積竣工測(cè)量的作業(yè)方法.本文主要從采用TLS掃測(cè)建筑物外型過程中形成的距離偏差入手,在研究中忽略建筑物外立面材質(zhì)和粗糙程度的影響,從外業(yè)作業(yè)過程中涉及的掃測(cè)距離和掃測(cè)傾角等因素出發(fā),推導(dǎo)出距離偏差相關(guān)公式,并將與其相關(guān)因素結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,力求獲得高精度建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)和方法.

1 建筑物外型反射面構(gòu)成

建筑物外型平面形態(tài)劃分為基本構(gòu)成單元,有以下兩種構(gòu)成單元形態(tài),如圖1所示.

(a) 水平或垂直單元 (b) 傾斜單元

復(fù)雜外型建筑物雖然形態(tài)各異,但都可以選擇圖1所示基本構(gòu)成單元通過重復(fù)、漸變、扭曲、拉伸、旋轉(zhuǎn)等各種方式構(gòu)造而成.在應(yīng)用地面三維激光掃描儀對(duì)建筑物外型進(jìn)行掃測(cè)時(shí),雖然建筑物形態(tài)各異,但在激光掃測(cè)過程中只針對(duì)建筑物外型平面形態(tài)基本構(gòu)成單元,因此在某時(shí)刻的建筑物反射面也同樣有以上兩種狀態(tài)單元,即水平或垂直狀態(tài)單元和傾斜狀態(tài)單元.

2 建筑物外型TLS掃測(cè)距離偏差

在地面三維激光掃描裝置中,令激光發(fā)射孔徑為q,激光光束發(fā)散角為φ,激光發(fā)射點(diǎn)到建筑物反射表面上激光腳點(diǎn)中心之間的距離為D,通常也稱D為掃測(cè)距離,激光照射到建筑物反射面上會(huì)產(chǎn)生激光光斑.

2.1 建筑物反射面豎直時(shí)

當(dāng)激光光束垂直入射時(shí),激光光斑為圓形,直徑為p,圓形激光光斑面積為S,如圖2所示.則:

圖2 無傾斜角度時(shí)TLS的掃描距離

(1)

圓形激光光斑半徑:

(2)

激光光斑面積:

(3)

2.2 建筑物反射面傾斜時(shí)

圖3 有傾斜角度時(shí)TLS的掃描距離偏差

在直角三角形△ONM中,

(4)

ΔD是由于建筑物反射面傾斜造成的激光發(fā)射點(diǎn)到建筑物反射表面上激光腳點(diǎn)中心之間的距離偏移差.

(5)

(6)

(7)

根據(jù)地面三維激光掃描儀測(cè)量原理,不論是相位式還是脈沖式,對(duì)獲取建筑物反射面點(diǎn)云位置精度都會(huì)產(chǎn)生影響.從公式(6)可以看出,距離偏移差ΔD與掃測(cè)距離D、激光光束與反射面法線夾角θ及激光光束發(fā)散角φ有關(guān),即掃測(cè)距離越長(zhǎng)、激光光束與反射面法線夾角越大、激光光束發(fā)散角越大,距離偏移差ΔD就越大,反之則越小.

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與掃測(cè)

實(shí)驗(yàn)選用德國Z+F image 5010C、美國Trimble TX8和瑞士Leica P30/40這3種當(dāng)前流行的地面三維激光掃描儀,以不同的掃測(cè)距離和掃測(cè)傾角對(duì)建筑物表面進(jìn)行掃測(cè).

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

制作50 cm×50 cm水泥面展板,展板支架底部到展板中心高度為1.5 m,厚度約為1 cm.在展板中心制作半徑為1 cm的圓形標(biāo)靶,顏色暫時(shí)設(shè)置為白色,標(biāo)靶中心設(shè)置為紅色,展板可沿豎軸轉(zhuǎn)動(dòng),用以形成不同的傾斜角度.

在室外設(shè)置一條基線AB,該基線光線良好、地勢(shì)平坦、受風(fēng)等外界環(huán)境影響較小.將水泥面展板安置在點(diǎn)A上,然后距離A點(diǎn)沿基線方向精確丈量水平距離5 m處確定地面點(diǎn)為5號(hào)點(diǎn);距離A點(diǎn)沿基線方向精確丈量水平距離10 m處確定10號(hào)點(diǎn);同理依次確定20號(hào)點(diǎn),30號(hào)點(diǎn),40號(hào)點(diǎn),50號(hào)點(diǎn).

3.2 掃測(cè)

首先將瑞士Leica P30/40安置在測(cè)站5點(diǎn)上,水泥面展板與激光光束垂直,沒有任何傾斜角度,掃測(cè)水泥面展板標(biāo)靶.之后將水泥面展板傾斜15°,30°,45°,60°和75°,分別進(jìn)行掃測(cè).然后將Leica P30/40安置在測(cè)站10點(diǎn)上,完成傾斜角度為0°,15°,30°,45°,60°和75°的掃測(cè), 依此類推至測(cè)站20點(diǎn),30點(diǎn),40點(diǎn)和50點(diǎn).同理,再采用德國Z+F image 5010C和美國 Trimble TX8進(jìn)行上述的掃測(cè)過程.將掃測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,提取標(biāo)靶中心坐標(biāo).

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 距離偏移差計(jì)算

表1 不同掃測(cè)距離和掃測(cè)傾角的理論距離偏移差

4.2 實(shí)測(cè)距離偏移差計(jì)算

4.2.1 計(jì)算原理

地面三維激光掃描儀測(cè)站與展板標(biāo)靶中心的理論水平距離為Di(i=5,10,20,30,40,50),令D5=5 m,D10=10 m,D20=20 m,D30=30 m,D40=40 m,D50=50 m.令掃描測(cè)站坐標(biāo)為(Xi,Yi,1.500)(i=5,10,20,30,40,50),即每次架設(shè)掃描儀時(shí)的儀器高度等于1.500 m.TLS在每個(gè)測(cè)站掃描展板標(biāo)靶均在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi),提取中心點(diǎn)坐標(biāo)為(Xij,Yij,Zij)(i或j=5,10,20,30,40,50),則實(shí)測(cè)掃描測(cè)站與A點(diǎn)的水平距離:

(8)

采用不同品牌類型TLS實(shí)測(cè)得到每個(gè)掃描測(cè)站與展板標(biāo)靶中心的距離差ΔDi為:

(9)

在提取標(biāo)靶中心坐標(biāo)時(shí),精度控制在一個(gè)像元單位內(nèi),盡可能減少提取誤差精度.

4.2.2 實(shí)測(cè)距離偏移差

由于篇幅所限,本文只顯示采用瑞士Leica P30/40地面三維激光掃描儀掃測(cè)計(jì)算的距離偏移差值見表2.這里需要指出的是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)只能精確到毫米,毫米以下是估計(jì)得到的,此外對(duì)于表2的數(shù)據(jù)是計(jì)算得到的,不能代表地面三維激光掃描儀的掃測(cè)精度.

表2 瑞士Leica P30/40掃測(cè)計(jì)算距離偏移差

4.3 理論與實(shí)測(cè)距離偏移差之差計(jì)算

采用瑞士Leica P30/40地面三維激光掃描儀掃測(cè)計(jì)算理論距離偏移差值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的距離偏移差值之差見表3.

表3 瑞士Leica P30/40理論距離偏移差值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的距離偏移差值之差

4.4 實(shí)驗(yàn)分析

(1) 從表1可以得出,隨著掃測(cè)距離和掃測(cè)傾角的增大,距離偏移差的理論值也將不斷增大.

(2) 從表2可以得出,采用地面三維激光掃描儀掃測(cè)計(jì)算的距離偏移差值也隨著掃測(cè)距離和掃測(cè)傾角的增大而增大.

(3) 從表3可以得出,采用地面三維激光掃描儀掃測(cè)計(jì)算的距離偏移差值與理論距離偏移差值也相差很小,影響在毫米級(jí)以下,如考慮到外業(yè)掃測(cè)與計(jì)算的因素影響,實(shí)際上基本沒有差別.在實(shí)測(cè)值與理論值之差中掃描距離為10 m時(shí)的差值最小,其次是5 m～10 m的差值次小,其后隨著距離的增加該差值將不斷增加.

5 結(jié)論

本文從TLS掃測(cè)建筑物外型過程中形成的距離偏差入手,推導(dǎo)出反射面傾斜時(shí)的距離偏差公式,設(shè)計(jì)不同的掃描距離和掃描傾角進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了推導(dǎo)公式的正確性,得出掃測(cè)距離偏差特性如下:

(1) 隨著掃描距離的增加,距離偏差ΔD的值將不斷增大.

(2) 隨著傾斜角度的增加,距離偏差ΔD的值將不斷增大,并且增大的速度也逐步加快.

(3) 無論掃描距離遠(yuǎn)近,在傾斜角度超過60°時(shí),距離偏差ΔD值急劇上升,當(dāng)傾斜角度超過75°時(shí),上升速度將更加劇烈.

(4) 建筑物反射面傾斜角度與距離偏差ΔD關(guān)系的曲線形狀基本保持不變,不受掃描距離遠(yuǎn)近的影響,采用不同型號(hào)的三維激光掃描儀也對(duì)曲線形狀沒有影響.

在戶外掃測(cè)建筑物外型時(shí),由于受到建筑物高度、場(chǎng)地和地形等限制,很難滿足掃測(cè)距離和掃測(cè)傾角都較為適宜的情況,這時(shí)就要綜合考慮這些因素對(duì)掃測(cè)距離偏差的影響.當(dāng)掃測(cè)傾角大于75°,必須增大掃測(cè)距離來減小掃測(cè)傾角;當(dāng)掃測(cè)傾角小于75°且大于60°,場(chǎng)地條件允許也應(yīng)調(diào)整測(cè)距離來減小掃測(cè)傾角;當(dāng)掃測(cè)距離大于50 m時(shí),也可以通過調(diào)整掃測(cè)傾角來減少掃測(cè)距離,通過合理地選擇掃測(cè)距離和掃測(cè)傾角以提高或控制點(diǎn)位精度.