基于三维激光扫描技术的建筑物形体测量技术研究

(成都理工大学 四川 成都 610000)

形体测量起初是应用在工业制造业上对生产产品的质量控制，随着时代的发展以及科学技术的进步，人们对于建筑物的建造已经不仅仅局限于曾经的简单建筑物和小型厂房，越来越多的大型复杂的建筑物，工业工程以及水利建筑物和精密科研建筑物大量建造起来。这些大型建筑物在在空间位置、几何形状、以及外部尺寸等参数的控制具有更高的要求。基于三维激光扫描技术的建筑物形体测量相对于其他方法具有更加明显的优势，但同时也是具有一定缺点的。形体测量的结果精度是依托于三维激光扫描仪对建筑物的扫描结果和空间数据获取的精度，点云数据精度越高，点云密度越大，建模的效果越好，最终获取建筑物的特征点、特征线、特征面的精度也就越高。

一、建筑物形体特性

大型建筑物及其构筑物的形体特性是指其外部形态或者构成在长度、宽度、高度及其空间位置和体积等重要参数在几何方向上的描述，并且还要包含外部形态与内部结构相互联系的特点。大型建筑物及其构筑物的形体特性是表现其组成结构最直观的描述，是将其空间特征抽象信息与其实体具体特征相结合，对于实现大型建筑物及其构筑物的形体测量，获取其特征是至关重要的。建筑物的形体特性是对其空间实体用抽象参数表示的方式，通过一些重要的几何参数进行表达，必要时候对其建筑物实体外部与内部通过参考物和几何参数进行关联描写，这样就可以清晰表达整个建筑物的基础特征。

二、三维激光扫描技术的工作原理和数据处理

(一)建筑物以及构筑物的空间数据的定义是：在某些特定的参考系下，建筑物的整体或者某结构部位在空间中的位置、组成、以及空间拓扑关系的相关属性，还包含确定建筑物以及构筑物形体特性取得的空间离散点的空间坐标。依据建筑物的空间数据定义可以得知，如果需要对建筑物进行形体测量需要获取所研究的建筑物空间坐标点。不管是复杂建筑物还是简单建筑物，一个完整的建筑物都可以分解为点、线、面，具体又可以分为实点、实线、虚点、虚线等具体以及抽象的特征，点、线、面还要具备颜色、材质、空间拓扑关系等。其中空间拓扑关系是空间建筑物存在的关系基础，为了对建筑物进行形体测量认识建筑物的形体特性通常需要对建筑物进行有序的有目的测量采样，获取的建筑物的点云数据是进行空间数据获取的主要内容。

(二)三维激光扫描仪的工作原理。三维激光扫描仪主要是由一台快速高精度的激光测距仪、一组可以旋转并且反射激光匀速运动的反射棱镜、一台高分辨率的数码相机、和记录仪器空间姿态的电子陀螺和电子水平仪等构成。当仪器运作的时候，通过棱镜的内置马达匀速旋转棱镜同时基座马达也同时匀速运动反射激光，从而完成对目标物的全方位扫描，并通过内置处理器进行数据整理与处理，从而获得目标物的三维点云数据。三维激光扫描仪在对目标物进行扫描的时候的获取的原始数据有两个，第一个是根据垂直转动的反射棱镜和水平转动的底座得到激光发射的时候的竖直方向角和水平方向角。第二个是根据石英钟所得到的激光传播的时间求得目标点与仪器之间的距离。根据两点之间的距离以及竖直方向角和水平方向角可以得到每一个扫描点的相对空间三维坐标。

(三)三维激光扫描仪的坐标系定位原理。三维激光扫描仪对目标物进行扫描后所获取的点云数据的空间三维坐标是通过一定的坐标系统表示出来的，这种坐标系统称之为仪器坐标系。通常情况下是以三维激光扫描仪的激光发射器为坐标的原点，仪器的竖向扫描面为Z轴并且向上为正，仪器的横向扫描面为X轴并且与Z轴垂直而且垂直于目标物所在的方向，Y轴位于横向扫描面内并且与X轴垂直，正方向指向物体，X轴、Y轴、Z轴构成右手坐标系。

(四)三维激光扫描仪的数据处理。对于三维激光扫描仪所获取的点云数据来说，进行数据处理大体可以分为两步，点云数据的预处理和相应的数据处理。点云数据的预处理主要的工作如下：坐标纠正，就是在扫描区域中通过相邻测站之间公共的3个以上参考球或者标靶点进行图像之间的配准，使得不同扫描区域中的点云坐标系划归到同一个坐标系下；数据滤波，主要是通过设置各种不同的参数删除主体点云以外的多余点云；地理参考，是指将点云中的空间三维坐标系从仪器坐标系转换到当地或者全球坐标系下；数据分割，是指将同一扫描区域中的点云分割到点云子集中；曲面拟合，是将点云数据利用数学的方法确定某一表面的数学形式；格网建立，是在点云数据中建立三角网。对点云数据经过预处理后，就可以进行相应的数据处理，最终可以得到拟合三维图像，正射影像，形体测量中的特征提取，以及各种特征点、特征线、特征面。

三、点云数据特征提取

利用三维激光扫描技术，可以在复杂的施工环境以及空间进行三维数据采样从而获取建筑物以及其他构造的形体特性，并且对于大型、复杂、不规则、不标准的建筑物以及构造物可以实现完整的三维数据采集并且获取点云所在实体的颜色和纹理信息，从而快速获取实体目标的点、线、面便于对点云数据进行快速的拟合建模从而获取建筑物的特征点、特征线、特征面等一系列的建筑物的形体特性。三维激光扫描技术能够快速获取目标建筑物的完整的三维信息并且以点云数据的形式导出，点云数据有利于快捷的拟合出目标建筑物的三维模型，因为三维激光扫描技术获取的是建筑物的三维空间中的位置参数，因此对于建筑物的形体测量中特征提取具有很大的帮助，并且由于获取的点云数据中不仅包含建筑物的空间位置信息还包含建筑物的颜色信息因此为以后其他的数据处理提供了更加丰富的源数据。

四、不足以及发展方向

本文主要围绕着基于三维激光扫描技术的建筑物形体测量技术进行研究。对于空间数据的获取，三维激光扫描仪具有效率高、操作简单、数据处理可视化、精度高、大大节省人力物力。对于特征提取，点云数据的特征提取针对性强，操作灵活，视角灵活，可为正视图、俯视图、左视图、右视图等其他的一些视角，这为建筑物的整体及其细节监测提供了便利性。

此方法虽然有它自身的优点和优势，但同时也有它自身的缺点和不足，未来对于形体测量的研究方向应朝着如下方向发展：

(1)由于在扫描的过程中不免会有树木、车辆、行人等障碍物的遮挡，因此扫描结果可能或多或少的缺失，如果在数据处理的时候才发现问题会使整体效率降低，并且再扫描的话可能造成配准的困难。如何解决这个问题是提高数据获取整体效率的一个关键所在；

(2)在进行建筑物特征线提取的时候，如果使点云数据自动识别建筑物的特征线，在不需要建模的前提下直接提取建筑物的形体特征，并由此获取特征点以及特征面将会提高整体的工作效率。