三維激光掃描技術在地下建筑三維建模中的應用研究

徐賀,張文春,林楠(吉林建筑大學測繪與勘查工程學院,吉林長春 130118)

三維激光掃描技術在地下建筑三維建模中的應用研究

徐賀?,張文春,林楠
(吉林建筑大學測繪與勘查工程學院,吉林長春 130118)

摘 要:地下建筑的三維建模日益受到人們重視,本文以長春市某地下車庫為實例,對其進行三維建模,介紹了利用三維激光掃描技術進行地下車庫三維建模的方法,分析了點云數據的測量精度。結果表明,與傳統方法相比,建模的精度和效率都有很大提高,對地下建筑的三維建模具有借鑒意義。

關鍵詞:三維建模;地下工程;三維激光掃描;點云數據

1 前 言

隨著信息技術的發展,數字城市的建設在全國已經形成一個勢不可擋的浪潮[1],城市空間信息的獲取成為數字城市的基礎工程[2]。近年來,城市空間信息的獲取以及建筑物的三維建模多集中于地上部分,而地下空間信息的獲取由于受到技術和方法的限制而少有人研究。隨著遠程激光掃描儀的發展,三維激光掃描技術越來越多地應用到測繪領域,大大解決了這一難題。

地下建筑的三維模型構建日益受到人們的重視。傳統的測量方法是利用全站儀或GPS進行地下建筑的數據采集,但由于某些地下建筑地形復雜,且無法接收GPS衛星信號,因此該方法既費時又費力,很難實現。作為現代高精度傳感技術,三維激光掃描儀可以深入到復雜的環境中進行掃描操作,并直接將地形復雜的、不規則實體的三維數據完整地采集到計算機中,從而快速構建出被掃描物體的三維模型。本文以長春市某地下車庫為實例,采用Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀進行測量,建立地下車庫三維模型,分析了地下車庫三維模型的誤差以及點位精度的評定,對地下建筑的三維建模具有借鑒意義。

2 工程概況與技術流程

2．1工程概況

測區位于長春市某小區地下車庫,車庫總面積大約4 000 m2,分別有一個入口和一個出口。測區概況平面圖如圖1所示。

2．2技術流程

基于三維激光掃描儀的地下車庫建模和精度分析主要分外業數據采集、內業數據處理和精度分析三部分。主要工作流程如圖2所示。

圖1　地下車庫概況平面圖

圖2　地下車庫三維建模及精度分析技術流程圖

3 三維激光測量數據采集

3．1三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀系統本身主要包括激光測距系統和激光掃描系統,同時也集成CCD和儀器內部控制和校正系統等。在儀器內,通過兩個同步反射棱鏡快速而有序地旋轉,將激光脈沖發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域,測量每個激光脈沖從發出經被測物體表面再返回儀器所經過的時間(或相位差)來計算距離,同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的角度,最后計算出激光點在被測物體上的三維坐標,三維激光掃描測量儀原理如圖3所示[2]。

圖3　三維激光掃描儀工作原理

本次三維掃描項目采用德國Z+F IMAGER 5010C設備,該掃描儀是相位式三維激光掃描儀。相位式掃描儀掃描距離近,但是掃描速度快、精度高,最高精度可達0．3 mm,有效測量距離可達187 m。設備內置相機可生成一站8 000萬像素的高分辨率影像數據,角度分辨率水平達到0．000 2°垂直0．000 4°。IMAGER 5010C的激光是波長為1．5 μm的一級激光,激光垂準儀能夠使儀器精確的定位在已知坐標點上,即使在光線昏暗的地下車庫中也可以清晰地掃描地物。該儀器具有極高的掃描速率,可達每秒1 016 027個點,極大地提高了工作效率。

3．2控制測量

(1)控制點及標靶的布設

對地下車庫入口和出口外周圍的環境進行踏勘,選擇在入口和出口外各確定一個控制點,分別命名K2 和K4,距K2和K4較遠且通視處確定兩個控制點K1 和K3,用于確定后視。在入口和出口處分別貼3張與掃描儀配套的標靶紙,分別命名為A1、A2、A3,B1、B2、B3。使K2與A1、A2、A3通視,K4與B1、B2、B3通視,便于后續掃描坐標與地方坐標的結合,如圖1所示。根據三維激光掃描儀的特性,儀器無法精準掃描法向量與激光接近垂直的地物,所以張貼標靶紙時盡量減小每組標靶紙中心的法向量與儀器發射激光束的交角。另外,為使模型的坐標更加準確,每組標靶紙應貼于不同的平面上。

(2)控制點及標靶坐標的獲取

基于長春市CORS系統利用南方S82-T GPS接收機,精確測得K1、K2、K3、K4城市坐標系統中的坐標,為后續地下車庫的三維模型整體坐標提供基礎。以K1為后視點,在K2處架設徠卡TM30測量機器人, 對A1、A2、A3標靶紙中心點進行觀測,得到標靶中心點的坐標,同理可測得B1、B2、B3標靶中心點坐標。

(3)掃描過程

三維掃描儀的外業非常簡單,只需要設立標靶和外業掃描兩步即可。擺設標靶時盡量合理布局,使最少的擺站能夠掃描最全面的數據。此次試驗,用于兩站之間拼接的球形標志為Z+F IMAGER 5010C儀器配套的球形標志,掃描儀發射的激光可自動識別球形標志。根據地下車庫的特點及周圍環境,確定球形標志的安放位置。一個測站中,球形標志在測站的兩側均有放置,每一側放置3個球形標志,使之在后期的數據處理中可以有所選擇,試驗中兩站公共球形標志數量為3個。為保證測量精度,每兩站之間距離控制在100 m以內。確定好標志安放位置和儀器安放位置后,架設儀器,打開電源,掃描儀預熱后設置參數(質量、分辨率等),掃描儀自動進行掃描,依次完成每站的掃描工作,最后實驗完成后測站數目共有12站。

4 三維激光測量數據處理

三維激光掃描儀的內業工作分為基本處理和后處理兩部分。基本處理是將從三維掃描儀上導出來的數據進行拼站處理、導出數據等。后處理是根據實際需求生成線畫圖或者三維建模數據,要得到這樣的數據需要進行濾波去噪、抽稀、矢量提取、點云封裝、三維建模等過程。

4．1點云的基本處理

點云配準是點云數據獲取后的第一步處理,也是所有后續處理的基礎,因此,配準的精度將直接關系到建模精度[3]。由于物體的遮擋、掃描儀的限制等原因,要完成對地下車庫的完整三維數據獲取,掃描儀需要多測站多角度進行掃描。但在不同測站進行掃描的坐標系不同,因此需要通過點云配準將多站掃描數據拼接到同一坐標系下,以獲得物體表面的完整的形狀信息[4]。

地下車庫表面點云的空間信息位于相對坐標系中。掃描完成后,通常要把相對坐標系轉化為國家統一坐標系或者是地方獨立坐標系。兩個空間直角坐標系的坐標變換的參數一般包括3個平移參數、3個旋轉參數和1個尺度變化參數,這里兩個坐標系的尺度相同,即兩個空間直角坐標系之間的變化有6個獨立的參數,采用迭代法來解決非線性三維基準變換[5]。

此次試驗選擇Z+FLasercontrol軟件對掃描得到的12站點云數據進行坐標轉換和數據配準,過程如圖4、圖5所示。

所有標志標定完成后,對工程進行最小二乘法進行標定,將TM30全站儀測量得到的標靶紙中心坐標賦予模型作為轉換的基礎數據。標定、轉換完成后,生成標定報告,標靶紙以及球形標志的標定報告如表1所示。

圖4　標靶紙中心坐標的標定

圖5　球形標志的標定

標靶紙以及球形標志的標定報告 表1

從表1可以看出,標靶紙中心坐標相對于全站儀坐標數據的平均偏差為1．0 mm,標準偏差為0．7 mm,最大偏差是1．5 mm;球形標志中心坐標平均偏差為2．5 mm,標準偏差為1．3 mm,最大偏差為4．9 mm,這完全滿足工程測量中的精度要求。

4．2點云的后處理

三維激光掃描儀進行工作時,建筑物周圍的樹木、行人、車輛等易對掃描造成遮擋,造成不必要數據的缺失。采用多測站多視角觀測后,彌補了數據的缺失,但是會造成數據的冗余。這些冗余數據不僅增加了計算機的內存,而且降低了數據處理的效率,所以需要對點云數據進行濾波處理,剔除掉冗余數據,提取地下車庫的點云數據。如圖6所示,利用Z+FLasercontrol軟件對數據進行濾波、去除噪聲等操作,直接得到地下車庫的三維模型,如圖7所示。

圖6　數據濾波、剔除噪聲

圖7　濾波后的地下車庫三維模型

5 精度分析

地下車庫三維建模完成后,對出口處的標靶紙中心坐標進行提取,與TM30全站儀采用無棱鏡方法測得的坐標進行對比分析,計算出每個標靶紙中心的偏差,如表2所示。

出口處標靶紙中心坐標偏差 表2

結合以上分析可以看出,地下車庫模型處標靶的最小誤差為1．6 mm,最大誤差為6．2 mm,平均誤差為3．2 mm,可以判斷點云拼接模型的數據各項精度指標良好,完全滿足地下工程的數據精度要求。

6 總 結

本文對利用三維激光掃描技術進行地下建筑三維建模的流程進行了詳細的描述,并以地下車庫為實例,驗證了三維激光掃描技術在地下建筑三維建模過程中的可行性。結果表明,模型的精度誤差控制在±7 mm之內,滿足地下工程測量的精度要求。同時,與傳統測量方法相比,三維激光掃描技術表現出精度高、效率高等優點,減輕了測量工作人員的強度,為地下工程測量提供了新途徑。

參考文獻

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[3] 陳三清．點云數據的配準方法研究[J]．光盤技術,2009．

[4] 徐源強．高井祥,張麗等．地面三維激光掃描的點云配準誤差研究[J]．大地測量與地球動力學,2011,31(2):129～132．

[5] 陳義,沈云中．非線性三維基準轉換的穩健估計[J]．大地測量與地球動力學,2003,23(4):49～53．

Research on the Application of 3D Laser Scanning Technology in the Construction of 3D Modeling of Underground Building

Xu He,Zhang Wen Chun,Lin Nan
(School of Geomatics and Prospecting Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China)

Abstract:Underground structures of 3d modeling attracting increasing attention,this article takes an underground garage in Changchun city as an example to construct 3d modeling of it,introduces the way of using 3d laser scanning technology to build 3d modeling of the underground garage, and analyze positional accuracy of the method．Results show that compared with the traditional method, the precision and efficiency are greatly improved, and instructive to the underground construction of the 3d modeling．

Key words:3d modeling;underground engineering;3d laser scanning;pointcloud data

文章編號:1672-8262(2015)06-82-04中圖分類號:P234．1

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—10—08

作者簡介:徐賀(1990—),男,碩士研究生,研究方向:三維激光掃描儀的應用。

基金項目:吉林省科技發展計劃基金資助項目(20120437)