基于三維激光掃描技術的建筑物建模研究

摘 要：隨著社會的發展和科學技術的進步，三維激光掃描技術成為了目前測繪地理信息領域的一個研究熱點。本文通過利用地面三維激光掃描系統進行外業數據的采集，然后通過噪聲去除、數據拼接、提取特征線等一系列的方法對數據進行處理研究，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建，對數字建筑物的實現途徑進行了探索。

關鍵詞：三維激光掃描儀；點云數據；建筑物建模；特征線

0 前言

地面三維激光掃描技術，也稱為“實景復制”技術。這項技術出現于上個世紀九十年代中期，被譽為是“繼GPS技術以后的有一次測繪技術的革命”。目前，國外對三維激光掃描測量技術的研究和開發已經有了相當不錯的成績，像加拿大、美國、日本等多家高科技公司都已經研發出了自己的代表產品并且技術成熟，效果良好。已經被廣泛應用于各行各業，產業規模正不斷擴大。國內對于三維激光掃描重建技術起步比較晚，但是也在部分領域取得一定的成果。本文以建筑物為對象，以faro三維激光掃描儀為實驗設備，進行原始數據的外業采集，內業處理和校園建筑物建模方法研究，對數字建筑物的實現途徑進行探索。

1 技術原理

三維激光掃描儀是一種新型的三維激光坐標測量儀器，它集成了許多高新技術于一身，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的幾何圖形的三維數據。三維激光掃描儀主要是由激光測距系統、激光掃描系統、支架系統等但三部分組成的。此外有的可能還集成有內部校正和CCD數字攝影系統。

由于現在的激光測距系統有多種，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：由激光發射器向掃描目標主動發射激光，并由接收透鏡回收來自目標物表面的反射信號。然后使用時間計數器對激光發射時間與回收時間的時間差進行計數，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，如圖1所示。圖中，坐標原點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軸構成的平面。

2 建筑物建模實現

建筑物建模實現流程基本需要三個環節，第一是掃描工作方案的制定，第二是采集所需要的外業數據，第三是將采集到的外業數據進行內業處理然后建立模型。

首先要先選定測量目標，然后根據測量目標來制定相符合的測量掃描方案。為了科學的嚴謹性最好是進行實地踏勘，觀察一下目標物周圍的環境，選出一條合適的測量路線。計算出所需要的測站數量和標靶數量，并在相應的測站位置和標靶位置做好標記，方便下一步進行測量。

要想保證外業數據采集的準確性和合理性，首先要確定合理的掃描范圍。掃描范圍過大有可能將無關的噪聲數據包含進去，掃描范圍過小又會導致采集的數據點不夠。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裝置中的粗瞄準器大致的確定目標建筑物的最大對角線范圍，即可確定為待測范圍。其次就是要根據待測區域的實際環境狀況、待測物體的復雜程度和實際應用需求來確定合適的采樣密度和掃描距離。待這些儀器的相關參數設置完畢后，即可開始采集數據了。

內業數據處理就是使用相關的軟件對外業采集的數據進行一系列的處理修改的復雜過程。這個過程一般包括噪聲去除、數據配準及拼接和數據消冗等必要環節，缺一不可。

2.1噪聲去除。因為現實環境的復雜性，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據中不可避免的會包含一些沒有用的噪聲數據。要想得到高質量高精度的三維建模，就必須進行去噪處理，從而降低或者消除噪聲的不良影響。

2.2數據配準及拼接。由于掃描物體的外觀形狀的不規則性和周圍環境的多樣性，比如建筑物的不完整或者周圍建筑物和植物的遮擋，這就導致在測量過程中往往需要從多種角度多個測站點進行作業。數據配準拼接就是將測得的多種坐標系下的數據進行坐標轉換成同一坐標系中，將各個站點掃描的點云數據拼接成一個數據文件。

2.3數據消冗。在完成將各個測站點獲得的點云數據拼接后，在掃描重疊區域的重復采樣點時會發現生成很多重復無用的數據，這就是數據的冗余問題。為了不影響建模的質量，就要消除這些冗余數據。

3 總結

地面三維激光掃描儀改變了傳統的單點采集數據的測量方式，它可以密集連續的獲取數據，提高了數據采集的速度和準確度。本文闡述了三維激光掃描系統的工作原理和流程，在此基礎上對建筑物建模的實現流程進行了研究，并對噪聲去除，數據拼接等環節進行了解釋，完成了建模。初步試驗表明，三維激光掃描系統可以快速高質量的建筑物建模的三維建模，是實現數字城市的途徑之一。

參考文獻

[1]臧克.基于Riegl三維激光掃描儀掃描數據的初步研究[J].2007（1）：77-82.

[2]馮建軍.三維激光掃描儀在地形測量中的運用[J].2015（9）：321.

[3]王召文.激光三維掃描技術在既有建筑測量中的應用[J].2014（16）：217-218.

作者簡介：

張磊（1983-），研究方向：地理信息技術、環保相關