三維激光掃描技術應用于建筑物建模的測量方法研究

黃承亮，向娟

(1.重慶市勘測院，重慶 400020；2.國家測繪局重慶測繪院，重慶 400015)

三維激光掃描技術應用于建筑物建模的測量方法研究

黃承亮1?，向娟2

(1.重慶市勘測院，重慶 400020；2.國家測繪局重慶測繪院，重慶 400015)

三維激光掃描技術是當前一種新技術，其應用領域廣泛。提出三維激光掃描技術在建筑物模型建設中的應用方法，分別以不同類型的建筑物為例，研究了其具體測量方案，并對相關參數設置進行分析，通過實驗該方法取得了較好的結果。

三維激光掃描技術；三維建模；精度

1 引 言

三維激光掃描技術是國際上近期發展的一項高新技術。利用三維激光掃描技術，可以深入到復雜的現場環境及空間進行掃描操作，并可以直接實現各種大型的、復雜的、不規則、標準或非標準的實體或實景三維數據完整的采集，進而快速重構出實體目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據[1]。當前這一技術主要用于工程測量、地形測景、虛擬現實和模擬可視化、礦區土方開挖斷面和體積測量、工業制造、變形測量、加工檢測、施工量測、事故調查、歷史古跡的調查與恢復，以及特殊動畫效果的測量等[2，3]。但在建筑物變形監測方面的研究比較少，本文主要研究了運用三維激光掃描技術對建筑物建模的觀測方法。

在對建筑物進行建模應用中，三維激光掃描技術與傳統的測量技術相比有其特點和優勢[4]。三維激光掃描技術能快速完整的獲取建筑物的三維信息，并能夠方便有效的生成建筑物的三維模型。由于三維激光掃描技術獲取的是三維點云數據，因此能充分體現出建筑物的特征信息。通過對建筑物進行整體掃描能為后續的數據處理提供豐富的源數據。由于三維激光掃描技術的獨特特點，因此在進行建模時采用的方法也與傳統的方法有所差別，并且對不同類型建筑物的觀測方法也不一樣。雖然三維激光掃描儀的絕對精度并不高，但通過點云數據得到的建筑物模型數據的精度較高，同時兩次掃描之間的相對精度也較高，因此可以從這方面入手進行觀測方案的設計。這里就分別對簡單建筑物和復雜建筑物的監測方法進行討論。

2 簡單建筑物的建模觀測方法

簡單建筑物定義為如圖1所示建筑物，其建筑結構簡單，沒有復雜的表面并且單體獨立，建模精度要求不高。在對這類簡單建筑物運用Trimble GX200三維激光掃描儀進行模型建立時在滿足測量精度要求的情況下主要考慮兩個方面的問題:一是盡可能提高測量精度；二是盡可能提高測量的效率。

圖1 簡單建筑物示意圖

圖2 復雜建筑物示意圖

2.1 控制網布設方法

應用三維激光掃描儀對建筑物進行建模首先要進行觀測控制網的布設。根據三維激光掃描儀的掃描特點及觀測控制網的布設要求，提出三維激光掃描儀對簡單建筑物變形監測控制網的布設原則為:

(1)控制網的精度要高于建筑物建模要求的精度。

(2)控制網布設的網型合適，能滿足三維激光掃描儀完全獲取建筑物數據的要求。

(3)控制網中各相鄰控制點之間通視良好，要求一個控制點至少與兩個控制點通視。

(4)為了提高測量精度，要求控制點與被測建筑物之間的距離保持在50 m以內。根據以上原則，對簡單建筑物設計了兩種控制網布設方案，如圖3和圖4所示。

圖3 控制網布設方案一

圖4 控制網布設方案二

兩種布設方案中，方案一適用于當建筑物長寬較大時，一次掃描不能得到一面墻體較好的掃描效果時采用。這種布設方法能使掃描儀在每個控制點上都能掃描到兩面墻體，當四個控制點完全掃描完以后，每面墻體被掃描兩次，就增加了點云的密度，從而提高了建模的精度。方案二適用于建筑物長寬不大并且長寬比較小時。這樣布設控制網可以使每個控制點完全掃描一個墻體的數據，并且效果好，同時也節約時間提高工作效率。通過分析，當定向邊與被測物體的夾角越小時，其掃描得到的點精度越高，從方案二可以看出，定向方向(后視方向)與被測墻體的夾角基本在45°以內，因此這樣得到的墻體掃描數據具有較高的精度。

在控制網布設完畢后，應采用高精度的全站儀進行坐標測量，獲得控制網各點的坐標，保證控制網的精度高于被測建筑物要求的精度一個等級。當兩個控制點之間的距離大于100 m時，由于三維激光掃描儀的掃描精度隨距離的增加而降低，因此需要在兩控制點之間增加一個控制點，使各控制點間的距離小于100 m，保證三維激光掃描儀的測量精度。

2.2 掃描觀測方法

在控制網建立完成后，就可以把三維激光掃描儀架設在各個控制點上對被測建筑物進行掃描，獲取點云數據。具體測量步驟為:

(1)在某一控制點上架設三維激光掃描儀，并把儀器進行精確地對中整平，連接各種數據線和電源線，使三維激光掃描儀與控制終端(筆記本電腦)保持通訊。

(2)在相鄰控制點上架設儀器標靶，作為后視定向點，并對標靶進行精確地對中整平。保持相鄰兩控制點之間的距離小于100 m，以距離為50 m最佳。

(3)啟動三維激光掃描儀和筆記本電腦中的相應控制軟件。首先操作電腦控制三維激光掃描儀對相鄰控制點上的標靶進行瞄準掃描，獲取定向邊數據；后視定向完成后，控制三維激光掃描儀對被測建筑物進行掃描，得到建筑物的部分點云數據。在每個控制點上重復這一過程進行掃描，直到獲得全部點云數據。

(4)對得到的建筑物點云數據進行檢查，查找是否有遺漏或掃描效果不好的區域，如果存在需要進行及時的修補掃描或進行點云加密掃描，最后確證獲得完成可靠的數據。到此建筑物建模外業數據采集工作結束，轉入內業數據處理。

在整個三維激光掃描儀數據采集過程中，需要對三維激光掃描儀的相應參數進行設置，每個參數的設置都會對掃描過程和掃描結果產生一定的影響。對結構簡單的建筑物進行掃描時，主要考慮掃描數據精度和掃描效率。因此需要對各個參數設置進行分析，達到高效率、高精度的掃描結果。

(1)點云間隔設置:三維激光掃描儀掃描物體得到的數據稱為點云數據，點云數據是由大量的離散點構成。這些離散點并不是無規則的排列在一起，而是按照一定的行列間隔有序排列。三維激光掃描儀在對物體進行掃描時，需要進行點云間隔的設置。對于建筑物而言，點云間隔設置不同得到的掃描結果也有差別。當點云間隔設置較大時，掃描速度快，花費時間少，得到的點云數據稀疏密度小；當點云間隔設置較小時，掃描速度慢，花費時間多，得到的點云數據密集密度大。速度快時間少在野外工作時可以節約用電量，進行更多的掃描工作；點云密度大可以更好地反映建筑物的細節特征，有利于模型的建立。因此合理的設置很重要。

以圖1建筑物為例，采用兩種不同的點云間隔設置進行掃描，一種采用點云間隔為10 mm，另一種采用點云間隔為30 mm，分別得到圖5和圖6的掃描結果。

圖5 點云間隔10 mm數據

圖6 點云間隔30 mm數據

從圖5和圖6可見，當點云間隔為10 mm時得到的建筑物點云數據密度大，數據質量好，能較好的反映建筑物的特征信息；當點云間隔為30 mm時得到的建筑物點云數據密度較小，數據質量與間隔為10 mm的數據相比稍差，但能完整反映建筑物的整體信息。

應用Geomagic Studio 8數據處理軟件對兩種數據建立表面模型，如圖7和圖8所示。從建立的表面模型可以看出，兩個種點云間隔得到的建筑物表面模型基本一樣，都能反映出建筑物的整體輪廓整體。說明兩種點云間隔設置對于結構簡單的建筑物建立表面模型，在整體上都能較好反映物體特征。圖9和圖10是兩種表面模型在同一位置截取的細節輪廓圖。在細節表現上點云間隔10 mm的表面模型比點云間隔30 mm的表面模型效果好。但點云間隔30 mm的表面模型也能完全反映細節特征，對于結構簡單的建筑物而言，可以滿足模型建立的要求。

圖7 點云間隔10 mm表面模型

圖8 點云間隔30 mm表面模型

圖9 點云間隔10 mm

圖10 點云間隔30 mm

對如圖1所示的簡單建筑物進行4個測站掃描過程中，以10 mm的點云間隔進行掃描總共用時26 min，以30 mm的點云間隔進行掃描總共用時8 min。在掃描效率上，點云間隔30 mm掃描是點云間隔10 mm掃描的3倍，這樣就極大地增加了掃描時間。

因此，對于結構簡單的建筑物在滿足建模精度要求的前提下，可以采用30 mm～40 mm點云間隔的設置進行掃描，這樣既能得到精度較高，質量較好的掃描數據，同時又能提高掃描的效率，達到既快又好的掃描結果。

(2)掃描次數設置:Trimble GX200三維激光掃描儀對物體進行掃描時，具有在同一測站點上對物體進行多次掃描的功能，掃描次數的范圍為1次～4次。掃描次數設置越高，得到的點云數據越密集，點云密度越大，效果越好，但同時掃描速度降低，掃描時間延長。

通過試驗分析以及運用三維激光掃描進行測量積累的經驗得出，對于簡單建筑物，在合適的點云間隔設置下，采用1次～2次掃描次數就可以滿足測量的要求，并能得到較好的效果。采用更多的掃描次數，對于提高掃描數據的質量沒有明顯的效果。

(3)精細掃描設置:精細掃描是指對建筑物某一區域進行高密度的掃描，以獲取該區域的高清晰點云數據。這種掃描方式應用于結構復雜，精度要求高或者細節特征明顯的區域。對于簡單的建筑物，由于其結構并不復雜，精度要求也不高，因此不需要進行精細掃描。

3 復雜建筑物的建模觀測方法

復雜建筑物定義為大型的、外形結構特征復雜的、多體組合的建筑物，如圖2所示建筑物。對復雜建筑物進行建模時，要求精度高屬于高精度精密測量，因此運用Trimble GX200三維激光掃描儀對復雜建筑物進行模型建立時，主要以測量結果達到其要求的精度指標為依據，進行相應測量方案的設計，具體設計方案如下。

3.1 控制網布設方法

復雜建筑物建立模型的精度要求較高，因此其觀測控制網的布設十分重要，控制網的精度高低直接決定最終模型的精度。根據三維激光掃描儀的掃描特點及觀測控制網的布設要求，提出對復雜建筑物建模觀測控制網的布設原則為:

(1)觀測控制網建設精度高于復雜建筑物模型要求精度一個等級。

(2)控制網各控制點平面坐標采用高精度全站儀實施導線測量，高程采用精密水準測量方法，并進行嚴格的平差計算。

(3)控制網網型合適，滿足三維激光掃描儀完整獲取建筑物數據的要求。對部分結構復雜的區域，應加密變形監測控制點使掃描時能更好地獲得掃描數據。

(4)控制網中各相鄰控制點之間通視良好，要求一個控制點至少與兩個控制點通視。

(5)為了提高測量精度，要求控制點與被測建筑物之間的距離保持在50 m以內或更近的距離。

根據以上原則，對如圖11所示的復雜建筑物設計了一種控制網布設方案，如圖11所示。

圖11 復雜建筑控制網布設方案

這種控制網布設方案中，1號～16號控制點為基礎控制點，17號～22號控制點為加密控制點。基礎控制點布設作用主要是保證能完整獲取建筑物的點云數據信息；加密控制點主要是針對建筑物部分區域結構復雜，需要進行局部精細掃描反映建筑物細節特征布設的。加密控制點的布設原則主要根據建筑物的復雜特征和變形監測要求的精度，加密控制點和基礎控制點的測量精度相同。

3.2 變形監測方法

運用Trimble GX200三維激光掃描儀對復雜建筑物進行觀測的方法與對簡單建筑物進行觀測的方法基本一樣。由于對復雜建筑物進行建模精度要求高，因此在各個測量環節上都應做到精確無誤，保持測量結果具有較高的精度。

對復雜建筑物進行數據采集過程中，也需要對三維激光掃描儀的相應參數進行設置。與對簡單建筑物進行掃描時參數設置不同，對復雜建筑物進行數據采集時，主要考慮掃描數據的質量和掃描結果的精度，下面對相關參數設置進行討論。

(1)點云間隔設置:由于復雜建筑物的結構特征復雜、細節輪廓多，如果采用較大的點云間隔設置進行掃描，可能無法完整的得到建筑物的點云數據，對于一些細節特征可能會造成顯示不清楚或丟失的情況。因此在對復雜建筑物進行掃描時應采用10 mm～20 mm設置，并保證能完整反映建筑物最小細節特征的點云間隔。

(2)掃描次數設置:在前面介紹過Trimble GX200三維激光掃描儀對物體進行掃描時，可以對掃描次數進行設置，其范圍為1次～4次。掃描次數設置越高，得到的點云數據越密集，點云密度越大，效果越好。

對于復雜建筑物，在合適的點云間隔設置下，應該采用3次～4次掃描次數，達到點云加密的效果，這樣可以獲得高質量的掃描結果，才能滿足復雜建筑物建模精度的要求。

(3)精細掃描設置:精細掃描是指對建筑物某一區域進行高密度的掃描，以獲取該區域的高清晰點云數據。對于復雜建筑物有時需要獲取局部細節特征，但采用常規的掃描設置無法有效的得到其特征，因此可以采用精細掃描方式進行掃描。這種掃描設置可以滿足某些特殊效果的需要，如圖12所示。

圖12 精細掃描效果圖

圖12 左圖是對建筑物進行掃描并對其局部特征進行5 mm～10 mm掃描，右圖是局部放大的效果圖。可以看出精細掃描可以明顯的反映出建筑物的細節特征，達到高質量的掃描效果。

(4)關鍵點掃描設置:在建筑物的特征點或關鍵位置，可以采用設置掃描標靶，對標靶進行獨立掃描獲取該特征點的信息。這種特征點的掃描方法可以獲取高精度的建筑物的關鍵區域或特征點。

4 結 語

三維激光掃描儀用于建筑物建模的技術目前還處于研究的階段，文本提出了三維激光掃描儀應用于建筑物模型建立的觀測方法。分別對簡單建筑物和復雜建筑物的工作方法進行討論，提出了各自的測量原則和標準，對其控制網布設方法和具體觀測方法也進行了研究。

[1] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢:武漢大學，2005

[2] 毛方儒，王磊.三維激光掃描測量技術[J].宇航計測技術，2005，25(2):1～6

[3] 張國輝.基于三維激光掃描儀的變形監測[J].中國科技論文在線

[4] 李秋，秦永智，李宏英.激光三維掃描技術在礦區地表沉陷監測中的應用研究[J].煤炭工程，2006，4:97～99

Study on The Measurement Method of 3D Laser Scanning Technique on Model Building

Huang ChengLiang1，Xiang Juan2
(1.Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China；2.Chongqing Institute Of Survey And Mapping，Chongqing 400015，China)

As a new technology，3D Laser Scanning is being wildly used in many fields.This paper demonstrates how to apply the technology to Model building，Different types of buildings are an example，research the specific measurement method and analysis the parameters setting.The scanner reaches a nice result in this experiment.

3D laser scanning technique；3D modeling；precision

1672－8262(2011)01－87－04

P234.4

B

2010—03—29

黃承亮(1984—)，男，助理工程師，現主要從事工程測量和三維激光掃描技術研究工作。