三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

馬 長(zhǎng) 清

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421002)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)建筑工程的要求也越來(lái)越多樣化，各種各樣的仿生外形也賦予了建筑物新的活力，與此同時(shí)復(fù)雜與特殊的建筑施工工藝對(duì)施工數(shù)據(jù)的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備與測(cè)量方法也無(wú)法滿足，這也促進(jìn)了新的測(cè)量技術(shù)與測(cè)量方法的誕生。三維激光掃描技術(shù)就是一種新型的技術(shù)，被人們稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，通過(guò)對(duì)多種輔助設(shè)備與技術(shù)的應(yīng)用，能夠低成本高效率的獲取更高質(zhì)量的海量數(shù)據(jù)，更精細(xì)的體現(xiàn)建筑物的特征信息，為工程施工的順利進(jìn)行提供有力的科學(xué)支持。

1 三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)原理與特點(diǎn)

三維激光掃描儀是一種通過(guò)綜合多種先進(jìn)輔助技術(shù)的掃描測(cè)量系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)、高分辨率相機(jī)、線結(jié)構(gòu)激光光源、可控制旋轉(zhuǎn)濾光鏡、控制電路板等組成。主要核心技術(shù):

1)空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)：

控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得激光光束沿X,Y兩個(gè)方向進(jìn)行快速掃描，實(shí)現(xiàn)高精度的小角度掃描間隔、大范圍掃描幅度及高幀頻成像。

2)激光無(wú)反射棱鏡長(zhǎng)距離快速測(cè)距技術(shù)：

儀器向目標(biāo)射出光束，計(jì)算激光飛行時(shí)間計(jì)算儀器到目標(biāo)點(diǎn)的距離。

三維激光掃描技術(shù)實(shí)際應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)，除了測(cè)量精準(zhǔn)度比較高之外，還具有其他的特點(diǎn)：

1)通過(guò)激光發(fā)射進(jìn)行掃描測(cè)量，能夠有效節(jié)省測(cè)量時(shí)間。同時(shí)在測(cè)量中可以減少對(duì)測(cè)量區(qū)域的污染與破壞。

2)該技術(shù)綜合利用多種設(shè)備與技術(shù)，可以短時(shí)間內(nèi)獲取海量的測(cè)量數(shù)據(jù)，保證量測(cè)的精度。

3)該技術(shù)利用自發(fā)光束進(jìn)行測(cè)量操作，不受光線條件影響。

4)該技術(shù)自動(dòng)化程度高，設(shè)備體積小，對(duì)操作人數(shù)要求小，測(cè)量成本投入少。

2 工程概況

本次涉及的工程為購(gòu)物藝術(shù)綜合中心，位于市中心主干路與河流交叉口南岸，工程建筑面積約34萬(wàn)m2，該建筑綜合體項(xiàng)目包括藝術(shù)展覽館、購(gòu)物商場(chǎng)、星級(jí)酒店、寫(xiě)字樓及公寓等多項(xiàng)功能于一體，建成后將成為該城市最大的單體建筑。整個(gè)建筑整體向外傾斜，外形現(xiàn)代時(shí)尚，由多個(gè)結(jié)構(gòu)錯(cuò)落疊置在一起，每個(gè)結(jié)構(gòu)的線條又變化多端。這些對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方式都是極大的挑戰(zhàn)。

3 三維激光掃描技術(shù)在工程建模中的應(yīng)用

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1)掃描方案設(shè)計(jì)。

掃描方案要注意的幾點(diǎn)：

a.站點(diǎn)布設(shè)。要保證測(cè)站之間不能有障礙物，相鄰測(cè)站之間的掃描重疊度大于1/4，保障掃描數(shù)據(jù)的完整性。

b.分辨率設(shè)置。目標(biāo)要進(jìn)行多位置掃描測(cè)量，每次測(cè)量前要根據(jù)與目標(biāo)物的距離調(diào)整掃描儀的分辨率，使掃描效果達(dá)到最佳。

c.標(biāo)靶布設(shè)。相鄰測(cè)站重疊區(qū)域布設(shè)的標(biāo)靶個(gè)數(shù)要大于3，均勻分布在測(cè)量場(chǎng)區(qū)。該項(xiàng)目最終確定布設(shè)要28個(gè)測(cè)站，四周21個(gè)，頂部7個(gè)。

2)控制測(cè)量。

為保障對(duì)該建筑物的掃描數(shù)據(jù)形成整體控制，測(cè)量方案中計(jì)劃將在掃描項(xiàng)目周?chē)鶆虻牟荚O(shè)8個(gè)控制點(diǎn)。在控制點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中將會(huì)利用RTK技術(shù)布設(shè)綜合利用城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)以及城市似大地水準(zhǔn)面，誤差可以控制在2 cm以?xún)?nèi)。

3)數(shù)據(jù)采集。

按照作業(yè)計(jì)劃對(duì)建筑進(jìn)行測(cè)量掃描，并利用集成相機(jī)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，最后要對(duì)公共標(biāo)靶和控制點(diǎn)進(jìn)行掃描，以便后期點(diǎn)云配準(zhǔn)。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1)點(diǎn)云去噪處理。

將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，因不同實(shí)體反射而產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)可利用濾波方法處理；由于障礙物與光束穿透形成的噪聲點(diǎn)，可在通過(guò)Leica Cyclone軟件中的人工交互的方式進(jìn)行噪聲點(diǎn)批量去除。

2)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析。

選取點(diǎn)云模型上10條特征邊長(zhǎng)與全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)相對(duì)差小于1‰，見(jiàn)表1，符合《城市測(cè)量規(guī)范》中1∶500DLG測(cè)量控制要求。

表1 掃描儀與全站儀邊長(zhǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

4 實(shí)體建模

本次工程的實(shí)體建模將根據(jù)建筑不同的位置采用不同的方法，針對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的建筑主體將采用幾何模型重建方法，而對(duì)有著不規(guī)則藝術(shù)造型的建筑表面以及異形屋頂將采用模型重建方法。

1)幾何模型重建。利用Leica Cyclone軟件，綜合運(yùn)用特征點(diǎn)擬合法、切片法、投影法，提取括建筑物的邊界、輪廓、屋脊等特征線進(jìn)行幾何模型的重建。

2)表面模型重建。首先將數(shù)據(jù)輸入到Leica Cyclone軟件中構(gòu)建無(wú)數(shù)個(gè)不規(guī)則的三角網(wǎng)，用來(lái)模擬建筑表面的具體形態(tài)特征，然后在保證精度基礎(chǔ)上精簡(jiǎn)三角網(wǎng)數(shù)量，最后要根據(jù)建筑表面特征數(shù)據(jù)對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充，最終形成比較完整的三角網(wǎng)模型。

3)模型優(yōu)化。利用3dsMax軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，使模型更具有美感，更加逼真。

5 結(jié)語(yǔ)

在越來(lái)越復(fù)雜的施工建設(shè)中的測(cè)量技術(shù)要求也愈來(lái)愈高，三維激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，可以使得工程建設(shè)的測(cè)量工作高效率、高質(zhì)量、低成本的獲取海量精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目的順利建設(shè)保駕護(hù)航。數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)已成為未來(lái)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展方向，在現(xiàn)代化工程建設(shè)中應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，不斷推進(jìn)三維激光測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步。