基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模研究

摘要：基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)提高建筑物的測(cè)繪水平有積極作用，而且，具有速度快、精度高、非接觸等特性，在數(shù)字化城市、變形監(jiān)測(cè)、三維重建等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。因此，利用三維激光掃描對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)體掃描，通過車載鏡頭對(duì)實(shí)景進(jìn)行全景照片采集，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)去噪、分割、分類處理，對(duì)建筑物特征進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)單體化自動(dòng)建模，提高三維激光掃描的綜合建模與信息處理水平。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;建筑物;三維建模

基于三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等方面進(jìn)行模擬與分析，通過掃描數(shù)據(jù)分析，可提高建筑物的數(shù)據(jù)處理水平。由于建筑物特點(diǎn)存在一定的差異性，所以，通過發(fā)射激光光源可獲得建筑物的三維信息，實(shí)現(xiàn)建筑物的數(shù)字化水平提升[1]。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，具有主動(dòng)性、速度快、精度高、數(shù)字化等特點(diǎn)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的過程，實(shí)現(xiàn)建筑物的三維重建分析與處理，因此實(shí)現(xiàn)建筑物的綜合技術(shù)水平提升。

1.三維激光掃描原理分析

三維激光掃描技術(shù)是利用自動(dòng)發(fā)射激光光源，快速獲取高精度點(diǎn)位信息，達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)繪的目的。三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集與處理過程中，掃描儀通過激光發(fā)射器發(fā)射激光信號(hào)，激光信號(hào)可以通過被測(cè)物體表面，利用漫反射與發(fā)射基本相同的路徑反射到接收器，結(jié)合反射信息數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出兩點(diǎn)之間的距離，可以同步測(cè)算激光脈沖地橫向掃描角、縱向掃描角，根據(jù)距離以及橫向、縱向的掃描角可以計(jì)算出建筑物的坐標(biāo)數(shù)據(jù)[2]。

2.三維激光掃描數(shù)據(jù)在建筑物三維建模中的應(yīng)用流程

2.1數(shù)據(jù)獲取

三維掃描技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，布設(shè)控制網(wǎng)并進(jìn)行測(cè)量，本次選擇辦公樓為研究對(duì)象，對(duì)辦公樓進(jìn)行一體式掃描，其中包含外業(yè)數(shù)據(jù)獲取以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。建立4個(gè)控制點(diǎn)，并建立閉合環(huán)形控制網(wǎng)，通過坐標(biāo)測(cè)量，獲得建筑物平面標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，達(dá)到全方位掃描的目的。在實(shí)際掃描與處理的過程中，利用自由設(shè)站的方式，保證兩個(gè)站點(diǎn)之間有一定的重疊區(qū)域，在減少測(cè)站數(shù)的前提下，降低后期的拼接誤差，從而獲得建筑物的掃描數(shù)據(jù)[3]。

2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

獲取數(shù)據(jù)后，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯、拼接、合并以及三維空間量測(cè)等進(jìn)行處理，完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理分析。考慮到激光掃描對(duì)空間信息采集具有一定的盲目性，所以，分析數(shù)據(jù)的離散型，對(duì)離散點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析與處理，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與信息預(yù)處理分析。設(shè)置初始配準(zhǔn)后的兩片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，表達(dá)方式如下：

初始配準(zhǔn)后匹配點(diǎn)的對(duì)數(shù)組如下：

精細(xì)化配準(zhǔn)的過程匯總，具體操作流程如下：

（1）構(gòu)建參與ICP算法的兩個(gè)初始點(diǎn)集，分別以P、X來表示，并設(shè)定閾值為0。

（2）初始化P=0，K=0。

（3）對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行操作與處理。

（4）計(jì)算R、T，并對(duì)P進(jìn)行變換，在迭代轉(zhuǎn)換與計(jì)算的基礎(chǔ)上，獲得精細(xì)配準(zhǔn)參數(shù)。

在實(shí)際掃描與處理的過程中，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都進(jìn)行整平，保證垂直方向的每個(gè)掃描面點(diǎn)的平行，通過配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行拼接。在掃描與處理的過程中，掃描站數(shù)量為10個(gè)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初始配準(zhǔn)，可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，完善三維模型的表面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。通過點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差控制，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)控制效果提升。

2.3點(diǎn)云分類及去噪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類中，利用地理坐標(biāo)工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在掃描處理中，由于建筑物周邊存在樹木、路燈以及行人等遮擋物，點(diǎn)云數(shù)據(jù)極容易出現(xiàn)重疊的情況，可以通過點(diǎn)云分割的方式進(jìn)行去除。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類處理，可提取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。在數(shù)據(jù)采集與處理的過程中，受環(huán)境因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在噪聲的情況，而且，點(diǎn)云數(shù)據(jù)還包含異常點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度會(huì)產(chǎn)生直接的影響。對(duì)噪聲進(jìn)行放大處理，并去除外孤點(diǎn)，達(dá)到去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲的目的。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用視角下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類與去噪處理過程，則是在掃描數(shù)據(jù)處理的前提下，優(yōu)化去噪過程，提高掃描精準(zhǔn)度。

2.4模型搭建

結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模過程，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、去噪分析處理后，針對(duì)不同類別的建模方法，對(duì)地面點(diǎn)、非地面點(diǎn)進(jìn)行建模分析與處理，提高數(shù)據(jù)整合與數(shù)據(jù)分析水平。掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程中，可對(duì)目標(biāo)物表面信息進(jìn)行采樣處理，并對(duì)目標(biāo)物的特征進(jìn)行整體分析，獲得三維表面信息，并建立三維模型。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立三角網(wǎng)格。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采樣，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，降低點(diǎn)云數(shù)量，方便后期的數(shù)據(jù)處理。將預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，并生成三角格網(wǎng)，由于局部數(shù)據(jù)缺失的問題，封裝后的數(shù)據(jù)后出現(xiàn)孔洞、褶皺等，通過填充孔達(dá)到消除這一現(xiàn)象的目的，促使表面具有一定的光滑性。在此基礎(chǔ)上，通過精細(xì)曲面對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化，利用裁剪以及便捷命令進(jìn)行處理達(dá)到特征提取的目的。

2.5模型自動(dòng)貼圖與提取

掃描點(diǎn)云是利用車載鏡頭收集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過三維建模的方式，自動(dòng)進(jìn)行貼圖處理。為避免出現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)缺失的情況，通過點(diǎn)云反射率圖像特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，獲得三維圖像的空間坐標(biāo)點(diǎn)后，采用直線性變換的方式，完成自動(dòng)貼圖。對(duì)特征提取中，考慮到點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征，可對(duì)每個(gè)格網(wǎng)單元中Z值的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與模擬分析，并通過圖像數(shù)據(jù)處理分析，完成三維掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與自動(dòng)生成圖像。

3.三維建模掃描數(shù)據(jù)的精度分析

在進(jìn)行掃描處理與分析中，點(diǎn)位精度的差值與平面誤差、高程誤差等有直接的關(guān)系。所以，通過點(diǎn)云去噪、孔洞填補(bǔ)后，可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行計(jì)算，其中，平面誤差控制在4mm以內(nèi)，高程誤差控制在2mm以內(nèi)，以此滿足建筑物的三維模型構(gòu)件的應(yīng)用需求。

結(jié)論

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模處理過程中，包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪、分類等，以此實(shí)現(xiàn)三維模型的重建，并達(dá)到特征提取的目的。利用三維激光掃描建筑物，盡可能地避免遮蔽、重疊等情況的出現(xiàn)，在三維建模的過程中，針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)的，在特征線區(qū)域與數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，提高三維建模速度，將很大程度上減少人工三維數(shù)據(jù)的獲取及其建模的工作量，將有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]周聰.基于三維激光掃描技術(shù)的建模在建筑物竣工測(cè)繪中的應(yīng)用[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2021（07）：78-81.

[2]李京，劉亞靜，劉明月.基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的震后建筑物三維可視化建模[J].華北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，43（02）：24-29.

[3]姚習(xí)紅，周業(yè)梅，加松，趙瑋.基于三維激光掃描的建筑物逆向建模實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2020，50（03）：178-181+189.

作者簡(jiǎn)介：姓名：聶麗艷（1983.06.29-）女，漢，河北省欒城縣，測(cè)繪工程師，本科，單位：河北天元地理信息科技工程有限公司，研究方向：測(cè)繪、地理信息、給排水管道檢測(cè)，單位所在省市及郵編：河北省三河市燕郊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，065201