基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物模型構(gòu)建的研究

耿黎娜，朱蘭艷*，李啟萌，張畢祥

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基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物模型構(gòu)建的研究

耿黎娜1，朱蘭艷1*，李啟萌2，張畢祥1

（1. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2. 云南省港航投資建設(shè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650051）

三維激光掃描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）技術(shù)作為一種全自動高精度立體掃描技術(shù)，是繼GPS空間定位之后的有一項新興測繪技術(shù)。本文首先對三維激光掃描儀的測距和工作原理進(jìn)行闡述，然后運(yùn)用TLS技術(shù)對某建筑物進(jìn)行掃描和建模處理。其中，著重對基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建精細(xì)化建筑三維模型的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行探索。此外，還對TLS技術(shù)外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的全過程進(jìn)行探索和總結(jié)。最后，對TLS技術(shù)相較于傳統(tǒng)測量技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行探討，并對TLS技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

TLS技術(shù)；點(diǎn)云處理；建筑物；三維建模

0 引言

三維激光掃描是上世紀(jì)九十年代中期開始出現(xiàn)的一項全新的測繪技術(shù)，是一種非接觸、自動化、高精度的數(shù)字化三維立體掃描測繪技術(shù)。是繼GPS空間定位技術(shù)之后的又一項新的獲取空間數(shù)據(jù)的重要測繪技術(shù)手段[1-3]。它可以實現(xiàn)各種大型的，復(fù)雜的、標(biāo)準(zhǔn)的與非標(biāo)準(zhǔn)的實體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)的采集和處理，之后快速建立出目標(biāo)物體的三維立體模型及點(diǎn)、線、面、模型等各種制圖綜合的數(shù)據(jù)，它將使測繪服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)的獲取方法、數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)入到一個新的發(fā)展水平[4-6]。傳統(tǒng)測量是單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，而三維激光掃描測量技術(shù)可以快速連續(xù)地獲取目標(biāo)地物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取的信息量也從單點(diǎn)的空間位置擴(kuò)展到目標(biāo)地物表面的紋理和顏色信息[2]。同時三維激光掃描儀小型便捷、安全穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)，且獲取數(shù)據(jù)精確高效，利用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測繪工作時，可以在任何復(fù)雜的地形地貌進(jìn)行掃描測繪操作，也可以應(yīng)用在不受光線影響的掃描測繪工作之中，快速獲取數(shù)據(jù)建立詳盡的三維立體模型[7-8]。目前，它主要應(yīng)用于三維立體建模、變形監(jiān)測、地形測繪、虛擬現(xiàn)實等方面[9-12]。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，它通過快速完整地獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理生成建筑物的精細(xì)化三維模型，能夠最大程度地重構(gòu)建筑物的特征信息[13-14]。因此在數(shù)字化文物保護(hù)、數(shù)字城市等領(lǐng)域也有著廣泛用途。

本文采用的三維激光掃描儀是FARO120，以本校區(qū)科技實驗樓為例，結(jié)合三維激光掃描儀的工作原理，探討利用三維激光掃描儀從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理到建筑物模型構(gòu)建的方法。

1 TLS設(shè)備與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.1 三維激光掃描儀測量原理

三維激光掃描儀依據(jù)測量方式和原理不同，主要分為三種：基于脈沖式、基于相位差和基于三角測距。三維激光掃描測量系統(tǒng)包括：內(nèi)置或外置GPS接收機(jī)、姿態(tài)測量裝置（INS）、掃描激光測距儀和掃描成像儀[15]，見圖1。GPS接收機(jī)主要用于獲取三維成像儀的精確三維位置；姿態(tài)測量裝置（INS）用于測量三維成像儀的姿態(tài)參數(shù)；掃描激光測距儀用來精確測定成像中心到激光采樣點(diǎn)的距離，利用該距離根據(jù)幾何原理可以計算出激光采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)；掃描成像儀同步獲取掃描圖像。掃描成像儀和掃描激光測距儀在硬件上共用一套掃描光學(xué)系統(tǒng)而組成掃描激光測距即成像組合傳感器（AL-Hi），從而保證激光采樣點(diǎn)和圖像上的像元點(diǎn)嚴(yán)格匹配,在獲取采樣點(diǎn)圖像的同時還可以獲取該點(diǎn)到成像儀的距離。它是利用激光測距原理，記錄待測物體表面密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、紋理信息等，快速構(gòu)建出待測目標(biāo)的三維模型。

圖1 三維激光掃描測量系統(tǒng)

1.2 TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描儀獲取目標(biāo)地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并構(gòu)建三維數(shù)字模型，需要經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理過程。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程主要包括三個步驟：多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云濾波去噪和點(diǎn)云空洞修復(fù)。地面三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)是以測站為中心的局部坐標(biāo)系，不同測站獲取的點(diǎn)云坐標(biāo)系不統(tǒng)一。在掃描測量過程中布設(shè)了多個測站，產(chǎn)生多組散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此，需要對多站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)處理，點(diǎn)云配準(zhǔn)的目的是將多站散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下。再使用控制點(diǎn)配準(zhǔn)，將點(diǎn)云配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下。由于在復(fù)雜環(huán)境中的掃描工作易受外界因素的影響，如地表植被、移動的車輛、行人和其他構(gòu)筑物等非目標(biāo)地物的存在和對目標(biāo)地物的遮擋，以及人為操作的影響，導(dǎo)致掃描的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在著大量冗余點(diǎn)和某些關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)缺失，因此在數(shù)據(jù)預(yù)處理中需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪和空洞修復(fù)處理。濾波去噪主要是剔除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的非目標(biāo)點(diǎn)和冗余點(diǎn)，以保證目標(biāo)地物建模的準(zhǔn)確性。再者，由于點(diǎn)云本身具有離散性，會導(dǎo)致構(gòu)建的模型存在一些瑕疵和缺陷，需要在多邊形階段對其進(jìn)行修復(fù)等操作，以保證得到較準(zhǔn)確完整的實物數(shù)字模型。

2 TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建建筑3D模型

本實驗選取的實例為某校科技實驗樓的掃描建模，樓體正面朝東，占地4300 m2。樓體主要由四層，五層，六層三個部分構(gòu)成的組合型復(fù)雜建筑物。結(jié)合工作生產(chǎn)實踐，擬定出基于地面三維激光掃描儀的建筑物掃描及三維模型構(gòu)建的工作流程，總技術(shù)路線圖如圖2所示。本次虛擬建筑物模型構(gòu)建采用法如Focus3D 120三維激光掃描儀進(jìn)行掃描工作和系統(tǒng)軟件作為數(shù)據(jù)處理主要軟件。

圖2 技術(shù)路線圖

2.1 外業(yè)掃描

2.1.1 掃描技術(shù)方案設(shè)計及準(zhǔn)備

在獲取建筑物的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)前，首先對建筑物及周圍環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，制定掃描技術(shù)方案，確定掃描的測站和標(biāo)靶的合適位置以及其數(shù)量，確定掃描路線，保證各掃描測站所獲取的數(shù)據(jù)能覆蓋待測建筑物，同時在要合理控制測站數(shù)，以減少原始數(shù)據(jù)量過多造成冗余，影響內(nèi)業(yè)處理的效率。

依據(jù)掃描的精度和目的要求，結(jié)合目標(biāo)建筑物的結(jié)構(gòu)，擬采用標(biāo)靶（公共點(diǎn)）數(shù)據(jù)拼接的方式，將多站掃描的數(shù)據(jù)拼接起來，首先進(jìn)行全站儀控制測量，全站儀控制網(wǎng)測站設(shè)置為6個。計算后得出控制點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)如表1所示。

表1 標(biāo)靶控制網(wǎng)點(diǎn)位

Tab.1 The control point of Target position

實地觀察測算三維掃描儀測站數(shù)量及位置，選擇全站儀視界內(nèi)能看到的點(diǎn)位作為安置三維激光掃描儀標(biāo)靶球的位置。選擇標(biāo)靶球安置點(diǎn)位時不能在一條線和相同水平面上，然后進(jìn)行噴漆標(biāo)記，本次測站數(shù)量設(shè)置為8個。

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

選擇在天氣狀況良好的情況下進(jìn)行測量，避免霧天等能見度低的天氣影響掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量。將標(biāo)靶球安置于設(shè)計好的點(diǎn)位，且距離掃描儀不超過15 m。安置儀器并設(shè)置好儀器的配置文件、分辨率、質(zhì)量及掃描范圍等。本次掃描設(shè)置的分辨率為44 MPts，質(zhì)量為1/4，掃描范圍是橫向360°和縱向300°。完成以上工作后開始進(jìn)行掃描，注意在掃描過程中，測量人員遠(yuǎn)離儀器不能遮擋儀器視線，靜等待儀器掃描完畢。每次掃描完畢后將標(biāo)靶球上蓋打開，露出標(biāo)靶球內(nèi)的反光標(biāo)靶，將全站儀安置在能通視標(biāo)靶球的控制點(diǎn)上測量反光標(biāo)靶，記錄標(biāo)靶的點(diǎn)位信息。建筑物的內(nèi)景信息主要采用鋼尺實地測量和攝影測量相結(jié)合的方法進(jìn)行，如圖3所示。全站儀標(biāo)靶測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三維掃描儀標(biāo)靶坐標(biāo)

Tab.2 Target coordinates of 3D scanner

圖3 待測目標(biāo)區(qū)域平面底圖

2.2 建筑物精細(xì)化3D模型構(gòu)建

2.2.1 靶球坐標(biāo)賦予

在Scene軟件中，新建一個項目文件，將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入該項目文件下。利用Scene的選擇工具選擇標(biāo)靶球作為球體。這樣，一個球體就被創(chuàng)建。在創(chuàng)建對象中，還可以創(chuàng)建其它如平面、中心點(diǎn)等多種幾何圖形。創(chuàng)建兩個球體之后，選擇三維清晰視圖，將看到兩個帶顏色的球體。賦予坐標(biāo)以后的如圖4所示。

圖4 掃描數(shù)據(jù)賦予坐標(biāo)

2.2.2 點(diǎn)云處理及著色

對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并選取要去除的噪聲點(diǎn)，利用軟件的刪除功能快速刪除選中的噪聲點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在掃描前，選擇色彩信息，可以在側(cè)邊項目欄中應(yīng)用圖片，如果沒有保存，系統(tǒng)會提示保存現(xiàn)在灰度數(shù)據(jù)。保存后，系統(tǒng)會將色彩信息自動與點(diǎn)云信息進(jìn)行匹配，使每一個點(diǎn)都有一個RGB信息，完成后數(shù)據(jù)導(dǎo)出。RGB色彩變換如圖5所示。

2.2.3 多站數(shù)據(jù)擬合

將多站數(shù)據(jù)導(dǎo)入與單站數(shù)據(jù)一樣。在掃描時選擇用標(biāo)靶球做為多站的接合目標(biāo)球，選擇勾選“首次加載掃描”、“更新對象擬合”、“應(yīng)用圖片”、“檢測自然參考”、“布置掃描”、“創(chuàng)建項目點(diǎn)云”項后，自動處理。處理完成后，選擇菜單欄中“3D”，點(diǎn)圖標(biāo)后，會出現(xiàn)全部掃描數(shù)據(jù)，檢查完成后，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合如圖6所示。

3 TLS測量精度分析

對三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析精度是非常有必要的。影響掃描儀數(shù)據(jù)對齊精度的原因有：掃描時候標(biāo)靶球的分布，scene擬合球心的精度，標(biāo)靶球與掃描儀的距離，掃描儀擺放的位置，掃描儀參數(shù)設(shè)置，天氣原因等。

3.1 TLS測距重復(fù)性分析

將FARO標(biāo)靶紙貼于墻面，在同一站掃描六張標(biāo)靶紙五次，得出三組每組五個共十五個長度數(shù)據(jù)。

表3 三維激光掃描儀標(biāo)靶紙測距表

Tab.3 Terrestrial laser scanning target distance meter

由公式1得出7.99 m時測距重復(fù)性為0.0052367 m，25.57 m時測距重復(fù)性為0.0143128 m，40.86 m時測距重復(fù)性為0.0157100 m。

3.2 TLS測距精度分析

TLS距離測量精度分析主要利用手持測距儀對同一段距離的三次測量平均值作為參考值，并將其分別與全站儀掃描獲取的距離和在TLS點(diǎn)云模型上量取的距離進(jìn)行對比分析，以達(dá)到對TLS距離測量精度進(jìn)行評價的目的。具體操作為：首先用手持測距儀對一段墻體實地測量3次取平均值；然后，全站儀實測建筑物同一段墻體的距離；在Scene內(nèi)用測量尺測量三維點(diǎn)云模型中同一段距離，并以手持測距儀獲取的距離為基準(zhǔn)進(jìn)行對比。最后根據(jù)均方根誤差公式（式2）計算測距精度。本文隨機(jī)選取了19段距離作為樣本進(jìn)行評價，樣本距離對照如表4所示。

表4 樣本距離對比表

Tab.4 Sample distance comparison table

以上數(shù)據(jù)以均方根誤差

計算后得出：全站儀測量均方根誤差為0.01360 m，三維點(diǎn)云模型測量均方根誤差為0.01588 m。

以上數(shù)據(jù)（表4）以相對誤差

計算后得出。相對誤差精度對比如表5所示。

表5 相對誤差對比表

Tab.5 Relative error comparison table

兩種數(shù)據(jù)隨著距離增加相對誤差分布圖如圖6所示。

圖6 誤差對比表（黃線為全站儀，紅線為三維點(diǎn)云）

3.3 精度綜合評價分析

三維激光掃描儀主要用于三維建模和虛擬現(xiàn)實，以及生成可量測影像。作為獲取三維空間信息的高新技術(shù),其點(diǎn)云模型的精度決定了虛擬環(huán)境的好壞，因此對其進(jìn)行測量性能評定至關(guān)重要。本文FARO120三維掃描儀廠家給出10 m內(nèi)90%反射時誤差為0.3—0.6 mm，25 m內(nèi)90%反射時誤差為0.5—0.95 mm，但是實際點(diǎn)云模型誤差比廠家提供掃描誤差要大，而且本次三維掃描儀點(diǎn)云模型精0.01588 m，可能是擬合球心誤差所導(dǎo)致。與傳統(tǒng)全站儀測量相比較三維激光掃描儀測量點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)在50 m內(nèi)小于全站儀棱鏡測量點(diǎn)位相對誤差，且三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)絕對誤差和測量距離成正比。所以三維激光掃描儀測距精度和測距重復(fù)性都隨著距離增長而變大。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，將TLS技術(shù)應(yīng)用于建筑物三維建模和虛擬現(xiàn)實技術(shù)時，具有掃描速度快、非接觸性、效率高和細(xì)節(jié)表現(xiàn)較好等特點(diǎn)。且內(nèi)置高像素彩色相機(jī)，能夠通過模型表面貼圖和點(diǎn)云著色處理等操作最大程度地實現(xiàn)三維模型的虛擬現(xiàn)實。本文通過TLS技術(shù)的測距重復(fù)性和測距精度兩項分析對TLS測量精度進(jìn)行評價，結(jié)果表明TLS技術(shù)的距離測量具有較高的精度，能夠滿足對建筑物精細(xì)化3D模型的構(gòu)建。

三維激光掃描儀不足處有掃描時有局限性，掃描數(shù)據(jù)時受天氣、地物密度和遮擋物的影響，有時候需要多次搬站，而且標(biāo)靶安置標(biāo)準(zhǔn)高，不好控制，容易造成內(nèi)業(yè)無法拼接。數(shù)據(jù)處理方面要求硬件配置高，模型后期制作需要大量照片影像，掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)存過大，無價值的點(diǎn)位過多，不便存儲和普通用戶使用。測量外業(yè)中需要其它儀器輔助。不適用于精度高大面積測繪，不適于高層建筑和地物密集場所的掃描。

[1] 鄭德華, 雷偉剛. 地面三維激光影像掃描測量技術(shù)[J]. 鐵路航測, 2003(2): 26-28.

[2] 張會霞, 陳宜金, 劉國波．基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究[J]. 測繪工程, 2010, 19(1): 32-34.

[3] 張畢祥．基于傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的研究[J]. 軟件, 2018, 39(7): 146-151

[4] 李必軍, 方志祥, 任娟．從激光掃描數(shù)據(jù)中進(jìn)行建筑物特征提取研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報: 信息科學(xué)版, 2003, 28(1): 65-70.

[5] 周克勤, 趙煦, 丁延輝．基于激光點(diǎn)云的3維可視化方法[J]. 測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報, 2006, 23(1): 69-72.

[6] 鄭德華, 岳東杰, 岳建平．基于幾何特征約束的建筑物點(diǎn)云配準(zhǔn)算法[J]. 測繪學(xué)報, 2008, 37(4): 464-468.

[7] 梅文勝, 周燕芳, 周?。诘孛嫒S激光掃描的精細(xì)地形測繪[J]. 測繪通報, 2010(1) : 53-56.

[8] 劉求龍, 胡伍生, 王驄, 等. 三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構(gòu)建中的研究與實現(xiàn)[J]. 測繪通報, 2010(9): 35-37.

[9] 王守國．地面激光掃描儀鑒別率檢定方法的研究[J]. 測繪通報, 2011(6): 45-47.

[10] 羅德安, 朱光, 陸立, 等. 基3維激光影像掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測[J]. 測繪通報, 2005(7): 40-42.

[11] 惠增宏．激光三維掃描重建技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2002.

[12] 吳靜, 靳奉祥, 王健. 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模[J]. 測繪工程, 2007(5): 57-59.

[13] 黃承亮, 向娟．三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測量方法研究[J]. 城市勘測, 2011(1): 87-90.

[14] 彭維吉, 李孝雁, 黃颯. 基于地面三維激光掃描技術(shù)的快速地形圖測繪[J]. 測繪通報, 2013(3): 70-72.

[15] 李長春, 薛華柱, 徐克科. 三維激光掃描在建筑物模型構(gòu)建中的研究與實現(xiàn)[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008, 27(2): 193-199.

Research on Building Model Based on Terrestrial Laser Scanning Technology

GENG Li-na1,2, ZHU Lan-yan1*, LI Qi-meng2, ZHANG Bi-xiang1

(1. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093; 2. Yunnan Port and Channel Investment Construction Co., Ltd,Kunming 650051)

Terrestrial Laser Scanning technology is a fully automatic and high-precision stereo scanning technology, and it is a new surveying and mapping technology after GPS space positioning. First of all, this paper describes the ranging and working principle of Terrestrial Laser Scanning.Then scanning and modeling of a building with TLS Technology.Among them, the key points of building fine 3D building models based on point cloud data are explored. In addition, this paper also explore and summarize the whole process of TLS technology field scanning and internal data processing. Finally, the advantages of TLS technology compared with traditional measurement technology are discussed, and the application prospect of TLS technology is also prospected.

TLS Technology; Point cloud processing; Building; 3D modeling

P208

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.030

耿黎娜(1989-)，女，碩士研究生，主要從遙感監(jiān)測、GIS、三維激光掃描等方面的研究工作。

朱蘭艷(1966-)，女，碩導(dǎo)，副教授，主要從事測量數(shù)據(jù)處理及誤差分析、GPS和GIS的質(zhì)量評估等方面的研究工作。

耿黎娜，朱蘭艷，李啟萌，等. 基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物模型構(gòu)建的研究[J]. 軟件，2018，39（11）：134-139