基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物建模研究

摘 要：隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)成為了目前測繪地理信息領(lǐng)域的一個研究熱點。本文通過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，然后通過噪聲去除、數(shù)據(jù)拼接、提取特征線等一系列的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理研究，最終通過建立被測建筑物的線框模型，利用Geomagic studio軟件完成了三維模型的創(chuàng)建，對數(shù)字建筑物的實現(xiàn)途徑進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；點云數(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“實景復(fù)制”技術(shù)。這項技術(shù)出現(xiàn)于上個世紀(jì)九十年代中期，被譽(yù)為是“繼GPS技術(shù)以后的有一次測繪技術(shù)的革命”。目前，國外對三維激光掃描測量技術(shù)的研究和開發(fā)已經(jīng)有了相當(dāng)不錯的成績，像加拿大、美國、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。國內(nèi)對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。本文以建筑物為對象，以faro三維激光掃描儀為實驗設(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，對數(shù)字建筑物的實現(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)測量儀器，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際應(yīng)用中比較常見的基于脈沖式測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)主動發(fā)射激光，并由接收透鏡回收來自目標(biāo)物表面的反射信號。然后使用時間計數(shù)器對激光發(fā)射時間與回收時間的時間差進(jìn)行計數(shù)，得到掃描儀和掃描點的距離S；精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖的橫向掃描角度的觀測值和縱向掃描角度的觀測值。根據(jù)以上獲得的距離和角度值可以通過計算得出每個掃描點相對于觀測站點的空間相對坐標(biāo)，如圖1所示。圖中，坐標(biāo)原點O是測站點，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 建筑物建模實現(xiàn)

建筑物建模實現(xiàn)流程基本需要三個環(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。

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

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。掃描范圍過大有可能將無關(guān)的噪聲數(shù)據(jù)包含進(jìn)去，掃描范圍過小又會導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)點不夠。所以一定要確定一個合理的待測范圍，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)建筑物的最大對角線范圍，即可確定為待測范圍。其次就是要根據(jù)待測區(qū)域的實際環(huán)境狀況、待測物體的復(fù)雜程度和實際應(yīng)用需求來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)雜過程。這個過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。因為現(xiàn)實環(huán)境的復(fù)雜性，在實地測量的過程中難免會受到各種自然因素和人為因素的影響，所以所測得的點云數(shù)據(jù)中不可避免的會包含一些沒有用的噪聲數(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)致在測量過程中往往需要從多種角度多個測站點進(jìn)行作業(yè)。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)拼接就是將測得的多種坐標(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，將各個站點掃描的點云數(shù)據(jù)拼接成一個數(shù)據(jù)文件。

2.3數(shù)據(jù)消冗。在完成將各個測站點獲得的點云數(shù)據(jù)拼接后，在掃描重疊區(qū)域的重復(fù)采樣點時會發(fā)現(xiàn)生成很多重復(fù)無用的數(shù)據(jù)，這就是數(shù)據(jù)的冗余問題。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)的單點采集數(shù)據(jù)的測量方式，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)上對建筑物建模的實現(xiàn)流程進(jìn)行了研究，并對噪聲去除，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，是實現(xiàn)數(shù)字城市的途徑之一。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

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