利用激光點云數據檢測特征表面平整度

趙玉臣 謝宏全 徐家駿 孫權 張鎮

摘 ?要：針對傳統的平整度測量方法工作效率較低、檢測精度不高，導致平整度計算結果誤差較大等問題。近年來，三維激光掃描技術應用于平整度測量引起了相關學者的關注，選取學校海洋樓墻面作為研究對象，利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取特征表面的激光點云數據并對數據進行預處理，運用Matlab、Excel等軟件計算出墻面的平整度。研究結果表明：利用三維激光掃描技術測量特征表面的技術方法是可行的，具有速度快與精度高的特點，同時能夠得到直觀的不平整區域顯示效果。

關鍵詞：平整度;激光點云數據;Matlab;特征表面

中圖分類號：P258 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0122-02

Abstract： For the traditional flatness measurement method is low efficiency， detection accuracy is not high， resulting in the flatness calculation results error is large. In recent years， the application of 3D laser scanning technology to flatness measurement has aroused the concern of relevant scholars， selected the school ocean wall as the research object， used Leica C10 3D laser scanner to obtain the laser point cloud data on the feature surface and pre-processthed the data， using Matlab， Excel and other software to calculate the flatness of the wall. The results show that the technical method of measuring the characteristic surface using 3D laser scanning technology is feasible， has the characteristics of high speed and precision， and can obtain the intuitive uneven area display effect.

Keywords： flatness; laser point cloud data; Matlab; characteristic surface

引言

隨著中國城市建設的快速發展，針對高層或超高層建筑物墻體平整度檢測是建筑安全檢查的重要組成部分。隨著測量新技術的發展，將三維激光掃描技術應用到特征表面平整度檢測成為新的研究方向。國內學者進行了相關研究，主要有：李廣等[1]在采用FARO X330獲取激光點云數據的基礎上，利用Geomagic Qualify軟件完成平面擬合并計算出平整度;李杰等[2]利用FARO Focus 3D獲取不同材質墻面的激光點云數據，采用Matlab軟件編程計算出平整度;程效軍等[3]運用最小二乘擬合的方法檢測墻面平整度;李偉等[4]利用地面三維激光掃描技術進行了道路平整度的研究;本文使用徠卡C10掃描儀獲取校園內海洋樓墻面的激光點云數據，運用Cyclone與Matlab等軟件對點云數據進行處理，計算墻面平整度。

1 激光點云數據獲取與預處理

1.1 激光點云數據獲取

依據本試驗研究的數據質量需要，研究對象選擇校園內海洋樓的東側墻面（圖1），掃描面積約為30m2。使用徠卡C10三維激光掃描儀，激光點云數據獲取的主要步驟如下：（1）在距離墻面大約15m的位置架設儀器并整平。利用窗掃描確定掃描對象的大概矩形范圍，選擇低分辨率進行預掃描，依據掃描結果可以多次調整，直到預期的掃描范圍。（2）預掃描達到預期范圍后切換至分辨率界面，將分辨率調整為用戶自定義，對特征表面進行測距得到儀器到特征表面的距離，輸入試驗前確定的分辨率（2cm），然后開始掃描。依據掃描后顯示的點云效果，判斷合格后，插入U盤傳輸數據，儀器關機掃描結束。

1.2 激光點云數據預處理

將U盤中的掃描數據拷貝到實驗室聯想圖形工作站，使用儀器配套的Cyclone軟件進行預處理，主要步驟如下：（1）新建數據庫，并將掃描獲得的點云數據導入其中。（2）對點云數據進行去噪，首先使用框選方法大面積刪除不需要的點云數據。然后繼續對點云數據進行小范圍的去噪，刪除完成后即得到目標點云。（3）通過點云的統一化獲取所需要的點云間隔，點云間隔設置為20cm，得到抽稀之后的點云圖。（4）由于需要坐標數據在Matlab中運算，在點云數據中選取特征平面中起伏變化較為明顯的局部區域，導出TXT格式的三維坐標文件。

2 特征表面平整度計算原理

3 計算結果

利用Matlab軟件計算海洋樓墻面的擬合平面方程通過圖形表達效果如圖2所示。

利用處理好的點云坐標數據和Matlab計算所得的擬合平面方程，計算出墻上點到擬合平面的距離即di值（圖3）。

運用計算所得的di值在Excel中做出di值分布圖（圖4），表示點云數據在擬合平面的分布情況。

將計算所得的di值導入Excel中，將平整度計算公式輸入Excel中，計算出海洋樓墻面平整度為2.214mm。

4 結論

利用三維激光掃描儀獲取的激光點云數據能夠滿足特征表面的平整度計算的精度要求。通過計算點云坐標到擬合平面距離的單位權中值誤差，可以獲取特征表面的平整度。激光點云數據在特征表面平整度計算方面具有快速、精度高、直觀顯示的優點。

參考文獻：

[1]李廣，吳長悅，馮騰，等.基于三維激光掃描技術的建筑物墻面平整度檢測[J].山西建筑，2017，43（11）：204-205.

[2]李杰，程效軍.三維激光掃描儀在墻面平整度檢測中的應用[J].井岡山大學學報（自然科學版），2014，35（4）：13-17.

[3]程效軍，唐劍波.基于最小二乘擬合的墻面平整度檢測方法[J].測繪信息與工程，2007（4）：19-20.

[4]李偉，劉正坤.地面三維激光掃描技術用于道路平整度檢測研究[J].北京測繪，2011（3）：24-27.