基于三維激光掃描數據的建筑物三維建模研究

摘要：基于三維激光掃描技術對提高建筑物的測繪水平有積極作用，而且，具有速度快、精度高、非接觸等特性，在數字化城市、變形監測、三維重建等領域有廣泛的應用。因此，利用三維激光掃描對建筑物進行實體掃描，通過車載鏡頭對實景進行全景照片采集，并對點云數據進行處理，通過數據去噪、分割、分類處理，對建筑物特征進行提取，實現單體化自動建模，提高三維激光掃描的綜合建模與信息處理水平。

關鍵詞：三維激光掃描;建筑物;三維建模

基于三維激光掃描技術的應用，可對建筑物的結構、力學性能等方面進行模擬與分析，通過掃描數據分析，可提高建筑物的數據處理水平。由于建筑物特點存在一定的差異性，所以，通過發射激光光源可獲得建筑物的三維信息，實現建筑物的數字化水平提升[1]。三維激光掃描技術的應用，可對數據信息進行處理，具有主動性、速度快、精度高、數字化等特點，通過點云數據處理的過程，實現建筑物的三維重建分析與處理，因此實現建筑物的綜合技術水平提升。

1.三維激光掃描原理分析

三維激光掃描技術是利用自動發射激光光源，快速獲取高精度點位信息，達到精準測繪的目的。三維坐標數據采集與處理過程中，掃描儀通過激光發射器發射激光信號，激光信號可以通過被測物體表面，利用漫反射與發射基本相同的路徑反射到接收器，結合反射信息數據，可以計算出兩點之間的距離，可以同步測算激光脈沖地橫向掃描角、縱向掃描角，根據距離以及橫向、縱向的掃描角可以計算出建筑物的坐標數據[2]。

2.三維激光掃描數據在建筑物三維建模中的應用流程

2.1數據獲取

三維掃描技術在實際應用中，布設控制網并進行測量，本次選擇辦公樓為研究對象，對辦公樓進行一體式掃描，其中包含外業數據獲取以及內業數據處理。建立4個控制點，并建立閉合環形控制網，通過坐標測量，獲得建筑物平面標靶的三維坐標，達到全方位掃描的目的。在實際掃描與處理的過程中，利用自由設站的方式，保證兩個站點之間有一定的重疊區域，在減少測站數的前提下，降低后期的拼接誤差，從而獲得建筑物的掃描數據[3]。

2.2數據預處理

獲取數據后，利用點云數據處理軟件，點云數據編輯、拼接、合并以及三維空間量測等進行處理，完成對點云數據的處理分析。考慮到激光掃描對空間信息采集具有一定的盲目性，所以，分析數據的離散型，對離散點的點云數據進行建模分析與處理，可實現數據統計與信息預處理分析。設置初始配準后的兩片點云數據，表達方式如下：

初始配準后匹配點的對數組如下：

精細化配準的過程匯總，具體操作流程如下：

（1）構建參與ICP算法的兩個初始點集，分別以P、X來表示，并設定閾值為0。

（2）初始化P=0，K=0。

（3）對每個點進行計算，并對數據集合進行操作與處理。

（4）計算R、T，并對P進行變換，在迭代轉換與計算的基礎上，獲得精細配準參數。

在實際掃描與處理的過程中，每個測量點都進行整平，保證垂直方向的每個掃描面點的平行，通過配準點對目標點進行拼接。在掃描與處理的過程中，掃描站數量為10個，通過點云數據的初始配準，可對點云數據進行計算處理，完善三維模型的表面數據統計與分析。通過點云配準誤差控制，可實現點云配準控制效果提升。

2.3點云分類及去噪

點云數據分類中，利用地理坐標工具進行轉換。在掃描處理中，由于建筑物周邊存在樹木、路燈以及行人等遮擋物，點云數據極容易出現重疊的情況，可以通過點云分割的方式進行去除。點云數據的分類處理，可提取建筑物的點云數據，并對點云數據進行統計與分析。在數據采集與處理的過程中，受環境因素的影響，點云數據會存在噪聲的情況，而且，點云數據還包含異常點，對點云數據的精度會產生直接的影響。對噪聲進行放大處理，并去除外孤點，達到去除點云數據噪聲的目的。三維激光掃描技術應用視角下的點云數據分類與去噪處理過程，則是在掃描數據處理的前提下，優化去噪過程，提高掃描精準度。

2.4模型搭建

結合點云數據建模過程，通過對點云數據進行預處理、去噪分析處理后，針對不同類別的建模方法，對地面點、非地面點進行建模分析與處理，提高數據整合與數據分析水平。掃描儀采集點云數據的過程中，可對目標物表面信息進行采樣處理，并對目標物的特征進行整體分析，獲得三維表面信息，并建立三維模型。利用點云數據，建立三角網格。通過點云數據進行統一采樣，并對點云數據進行綜合處理，降低點云數量，方便后期的數據處理。將預處理的點云數據進行封裝處理，并生成三角格網，由于局部數據缺失的問題，封裝后的數據后出現孔洞、褶皺等，通過填充孔達到消除這一現象的目的，促使表面具有一定的光滑性。在此基礎上，通過精細曲面對三維模型進行優化，利用裁剪以及便捷命令進行處理達到特征提取的目的。

2.5模型自動貼圖與提取

掃描點云是利用車載鏡頭收集點云數據后，通過三維建模的方式，自動進行貼圖處理。為避免出現圖像數據缺失的情況，通過點云反射率圖像特征點進行匹配，獲得三維圖像的空間坐標點后，采用直線性變換的方式，完成自動貼圖。對特征提取中，考慮到點云數據特征，可對每個格網單元中Z值的數據點進行統計與模擬分析，并通過圖像數據處理分析，完成三維掃描數據統計與自動生成圖像。

3.三維建模掃描數據的精度分析

在進行掃描處理與分析中，點位精度的差值與平面誤差、高程誤差等有直接的關系。所以，通過點云去噪、孔洞填補后，可對點云數據的誤差進行計算，其中，平面誤差控制在4mm以內，高程誤差控制在2mm以內，以此滿足建筑物的三維模型構件的應用需求。

結論

點云數據的三維建模處理過程中，包含點云數據的配準、去噪、分類等，以此實現三維模型的重建，并達到特征提取的目的。利用三維激光掃描建筑物，盡可能地避免遮蔽、重疊等情況的出現，在三維建模的過程中，針對點云數據進行修補的，在特征線區域與數據處理的基礎上，提高三維建模速度，將很大程度上減少人工三維數據的獲取及其建模的工作量，將有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]周聰.基于三維激光掃描技術的建模在建筑物竣工測繪中的應用[J].住宅產業，2021（07）：78-81.

[2]李京，劉亞靜，劉明月.基于激光點云數據的震后建筑物三維可視化建模[J].華北理工大學學報（自然科學版），2021，43（02）：24-29.

[3]姚習紅，周業梅，加松，趙瑋.基于三維激光掃描的建筑物逆向建模實現方法及應用[J].工業建筑，2020，50（03）：178-181+189.

作者簡介：姓名：聶麗艷（1983.06.29-）女，漢，河北省欒城縣，測繪工程師，本科，單位：河北天元地理信息科技工程有限公司，研究方向：測繪、地理信息、給排水管道檢測，單位所在省市及郵編：河北省三河市燕郊經濟技術開發區，065201