建筑物測量中三維激光掃描技術的應用分析

摘要：目前，激光掃描技術獲得了新的發展，三維激光掃描技術也應運而生。文章首先介紹了三維激光掃描技術的應用原理，而后對數據處理、數據建模過程進行了介紹，最后對建筑物測量中三維激光掃描技術的應用進行了探討，這對于提升建筑工程的測量質量意義重大。

關鍵詞：三維激光掃描技術；應用原理；數據處理；建筑物測量；數據建模 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP274 文章編號：1009-2374（2017）05-0172-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.083

近年來，在各種技術的支撐之下，激光掃描技術也獲得了新的發展，三維激光掃描技術也應運而生。該技術的優勢鮮明，能夠進行各種復雜物體的掃描，并能夠克服各種復雜環境的限制。由于其典型的優勢特征，目前三維激光掃描技術已經被應用于工程測量、地圖測井、加工檢測等多種測量工作中。三維激光掃描技術能夠對建筑物的三維信息進行快速掃描，并構建出合理的三維建筑模型，這為后續建模過程中的數據處理提供了豐富的資源。下面，筆者將對建筑物測量中三維激光掃描技術的應用進行深入分析。

1 三維激光掃描技術的應用原理介紹

三維激光掃描技術是新近才發展起來的，具有諸多優勢，必然會在很多領域得到廣泛的應用。三維建模方法通常有兩種：第一，基于圖像的方法；第二，基于幾何的方法。前者是通過照片或者圖片來建立模型的，大部分數據都來源于數碼相機；而基于幾何的方法則是通過激光掃描儀掃描所獲得的數據來建立合理的三維模型，是利用幾何信息進行建模的。三維激光掃描儀的類型多樣，依據不同的掃描平臺劃分，有地面型激光掃描系統、便攜式激光掃描系統以及機載激光掃描系統之分。而按照距離來分，三維激光掃描儀可以分為：長距離激光掃描儀，掃描距離在30米以上，該類儀器主要用于建筑物、礦山、大壩等的測量過程；中距離激光掃描儀的最長掃描距離小于30米，多用于室內空間及大型模具的測量過程；短距離激光掃描儀，最長的掃描距離不會超過3米，而最佳的掃描距離在1.2米左右，多用于小型模具的測量，掃描的速度快且精度高。航空激光掃描儀的最長掃描距離大都在1000米以上，需要配備精確的導航定位系統，適用于大范圍地形的掃描測量工作。

三維激光掃描技術的主要作用對象是高速三維掃描儀，該設備充分運用激光掃描技術便可以在短短幾分鐘之內產生詳細的三維圖像。由于擁有觸摸操作屏，激光掃描儀能夠靈活地進行掃描，獲得完善的掃描參數。從構造方面來說，三維激光掃描儀中配有一臺高速精確的激光測距儀、可以均勻角度掃描的發射棱鏡和數碼相機，能夠直接獲得物體的整體影像，并完成對物體的全方位掃描。掃描完成之后，設備會對相關信息進行數據處理，從而獲得目標表面的點云數據。從原始數據方面來說，三維激光掃描儀可以掃描到三類數據：掃描儀通過變動鏡子的角度反射不同的脈沖激光；根據三維激光掃描儀器激光傳播時間的不同，設定具體的位置，之后利用激光束的垂直及水平方向角得到儀器相對于掃描電的空間坐標。當然，這個坐標信息也是相對的。由于三維激光掃描的反射強度不同得到的數據不同。工作人員可以利用三維激光掃描儀的掃描點不同的反射強度匹配不同的色彩，并以此計算出某個點的三維坐標，并用（x，y，z，反射強度）來表示。由上述三類數據可以看出，三維激光掃描儀技術的應用過程也就是數據信息與處理的過程，并形成空間坐標明確掃描物體與掃描點的具體方向關系。總之，要保證掃描數據準確、可靠，就要選擇相應類型的掃描儀，并保證該儀器在標準范圍內使用；要明確掃描對象的典型特征，明確需要通過掃描獲得的數據信息，從而合理應用激光掃描儀。

2 建筑物測量中三維激光掃描技術的數據處理

正如上文所提到的，三維激光掃描技術的處理過程實際上是數據處理的過程。通過這個過程，目標位的數字模型也就建立起來。三維激光掃描技術的數據處理工作主要通過兩個步驟進行：掃描數據的預處理和最終產品。下面筆者將對三維激光掃描儀的掃描數據的預處理和最終產品形成這兩個環節進行深入介紹：

掃描數據的預處理工作內容相對寬泛，包括地理參考、坐標糾正、數據分割以及數據濾波等多個方面，也是直接在點云層面上進行操作。第一，地理參考的過程就是將三維激光掃描儀坐標下的云數據轉換到不同的點云子集中，從而形成不同的曲面形式；第二，坐標糾正就是在三維激光掃描技術的掃描區域內設置不同的控制點，而同一區域內會包含多個同名的控制點。這些同名控制點就可以將不同的位置掃描到同一個坐標下；第三，數據濾波是濾出數據噪點，保持數據的“純

凈度”。

就目前來說，要發揮三維激光掃描儀的功能，就要合理充分應用各個控制軟件，利用先進的數據處理技術。控制軟件的主要作用是幫助掃描儀采集數據，并及時地給予相應處理，而各種處理技術則是由第三方廠商提供，主要是進行后續數據處理。得到數據之后，就要進行數據建模，而點云數據處理是其中最重要的部分。點云處理主要包括四個步驟：去除噪聲；多視對齊；精簡數據；重構曲面。第一，去除噪聲就是指去除點云數據中掃描對象之外的數據，包括某些環境因素，如移動車輛等；第二，多視對齊，就是指從不同的位置和多個視角對建筑物進行多彩掃描，要在物體表面布設同名控制點，保證點云對齊的過程；第三，點云數據精簡是在不影響曲面重構和精度的情況下精簡數據，可以根據距離精簡，也可以平均精簡；第四，曲面重構就是將掃描儀獲得的數據信息用曲面表現出來，從而將掃描對象的真實情況盡可能還原，如三角形網格、參數曲面等。通過以上步驟，點云數據的處理基本完成。綜上所述，數據處理是三維激光掃描技術應用中的關鍵部分，需要先進行數據預處理，最后才能形成點云數據。

3 建筑物測量中三維激光掃描技術的應用

3.1 控制網的布設

三維激光掃描技術在建筑物建模測量中的應用中最關鍵的內容就是布設觀測控制網。要嚴格按照三維激光掃描儀的掃描要求，選擇合理的控制網布設方法，合理布設各個控制網的位置：第一，從精度上來說，控制網的精度不得低于建筑物建模的精度；第二，從網型上來說，控制網的形狀必須合理，從而保證掃描儀能獲得完整的數據信息；第三，從相鄰控制點的架設要求方面來說，要保證控制點的通視良好，保證掃描過程順利進行；第四，從距離方面來說，控制點與被測物體之間應保持50米之內的距離，從而保證檢測精度。總之，在控制網布設的過程中，要努力遵循以上原則。而根據建筑物形狀的不同，我們可以采用不同的控制網布設方案，目前來說，方案共有兩種：第一，四面控制網布設法。該種方法適用于建筑物的長寬較大的情況，可以很好地對整面墻體進行掃描。工作人員可以在建筑物的四個角上設置控制點，使得兩面墻體都能夠被掃描到。多個角度掃描，同一個墻體就會被掃描多次，點云密度增加。這樣一來，建筑物建模的精確度也會大大提高[如圖1（a）]；第二，當建筑物的長寬相對較小時，就可以采用圖1（b）布設方案。該種布設方案的掃描效果更為理想，并且能夠大大節省檢測時間，提高工作效率。

被測物體的夾角與掃描點精度之間存在密切關系，這也是長期工作實踐的結果。如果夾角越小，精度越高。而通過上述兩種方案，我們可以知道，定向邊與被測墻體的夾角基本上都在45度之內，掃描點的精度還是相當高的。完成控網布設之后，工作人員可以采用較高精度的全站儀來測量建筑物的坐標，從而獲得相應數據。如果控制點的距離較遠時，就要在兩個控制點之間增加一個控制點，使得測量的精確度進一步提高。

3.2 三維激光掃描的觀測方法

要保證三維激光掃描儀的掃描效果，工作人員要做好以下四個方面的工作：第一，先選定一個控制點，然后在這個控制點上架設激光掃描儀。掃描儀要確保對中整平，并用各種數據線連接起來；第二，要將相鄰控制點的距離設定在100米之內，50米左右最為合理，并保證標靶整平對齊；第三，要開啟激光掃描儀的控制性軟件，然后對準標靶進行認真掃描，掃描完成獲得定向邊的相關三維數據；之后，再次進行掃描，明確建筑物的點云數據；要重復掃描，確保數據精確合理；第四，要檢查建筑物點云數據是否齊全，明確是否存在遺漏或者掃描效果不好的區域。如發現問題，必須進行再次掃描，從而確保數據安全可靠。在數據采集結束之后，就要將測得的數據轉入業內數據進行處理。要保證采集到的數據合理，就要合理設置三維激光掃描儀的相應參數，避免影響掃描結果。總之，在技術應用過程中，工作人員要注意協調各方面的因素，數據掃描、分析以及建模工作等。

總之，建筑物測量中三維激光掃描技術的應用是一個相對復雜的過程，需要進行控制網的布設、需要采用合理的觀測方法。工作人員要從建筑物的實際情況出發，合理應用三維激光掃描技術，確保掃描的精確度。

4 結語

三維激光掃描技術可以快速掃描被測物體，不需要反射棱鏡便可以獲得高精度的掃描點數據，在我國城市規劃、土木工程、工業測量等領域應用較多。同時，三維激光掃描儀在復雜地形地貌的建筑物建模方面優勢明顯，具有廣泛的發展前景。由于各種主客觀限制性因素的影響，我國建筑物測量中三維激光掃描儀器的應用還存在很多不完善之處。未來相關工作人員應該加快研究工作，努力拓寬三維激光掃描技術的應用范圍，提升技術的使用效率及效果。

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作者簡介：唐景全（1971-），男，廣東佛山人，佛山市三水國盛測繪有限公司測繪工程師。

（責任編輯：小 燕）