大型建筑物三维激光扫描的流程及精度分析

郭向前 陈富强 郝伟涛

(1. 河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院, 郑州 450006; 2. 河南省地质勘查信息化工程技术研究中心, 郑州 450006)

0 引言

三维激光扫描技术是20世纪90年代中期开始出现的一项新技术,是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法,具有高效率、高精度的独特优势[1]。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据,因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。它通过非接触式高速激光扫描测量,获取被测对象的表面三维坐标数据,同时获取相应的影像数据,经专业后处理软件对点云数据处理后可以得到与实景1∶1的三维立体模型,其精度可达毫米级,并可以输出多种格式,满足不同应用的需要[2]。

三维激光扫描技术是通过激光测距原理(包括脉冲激光和相位激光),瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器[3],利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件提交所不可比拟的[4]。

1 系统构成及扫描仪分类

三维激光扫描系统通常由以下四部分组成:(1)三维激光扫描仪;(2)数码相机;(3)后处理软件;(4)电源以及附属设备。

三维激光扫描仪按照扫描平台可以分为:机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。

三维激光扫描仪按照其有效扫描距离可分为:短距离激光扫描仪、中距离激光扫描仪、长距离激光扫描仪和航空激光扫描仪[5-9]。

2 实施工作流程

项目实施工作流程图如图1所示。

图1 项目实施工作流程图

2.1 资料准备

包括已有资料搜集和准备,设备的准备,安全措施准备(faro三维激光扫描仪、全站仪、脚架、球形标靶、标靶纸等)。

2.2 现场踏勘

根据已有图纸现场踏勘,项目整体为不规则大型建筑物结构,总体长约400 m,高约为16 m宽约为9 m共分为9段,在图纸上标明需要架设的站点,认真翔实的安排扫描计划,根据特殊情况分区扫描,根据我们在大型建筑物里进行一站的扫描,确定扫描空间的大小,计划扫描大约30站,每段长短不一。最长的分段距离为90 m,最短为20 m。整体扫描时间初步定为三天,由于现场已经开始2次施工情况比较复杂,废弃物及一些施工物品摆放在现场,可能会导致扫描现场部分数据缺少,对其现场构件进行打扫清洁,以防进行2次扫描。这些都为扫描工作的安全顺利进行打下坚实的基础。

2.3 数据获取

2.3.1标靶布设

在仪器的两侧分别放置球形标靶及棋盘板共计4个,保证了两站之间至少三个公共拼接目标,站与球形标靶之间通视。需要注意球形标靶摆放注意图形,球形标靶不要在同一水平面,一条直线上;三个球形标靶之间的距离必须大于1 m;如果用标靶纸激光入射角不要低于45°角;注意标靶纸与球形标靶不能移动、不能有人或物阻挡。球形标靶与扫描仪的距离为2～15 m(取决于对象尺寸和扫描分辨率,球形标靶200 mm,最大距离可达45 m),项目实施过程中球形标靶控制在10 m以下。标靶的布控在三维扫描中非常重要,特别是高精度扫描,是影响精度重要指标之一。

2.3.2扫描设置

(1)架站

根据测站的安排计划并结合实际情况架设扫描仪,保证仪器架设稳定,四周测量环境良好,分析扫描的局限区域,以便下站及时补测。仪器水平气泡居中,倾角传感器可自动补偿正负5度。

具体步骤:1、放置脚架;2、安置仪器;3、整平;4、取下镜头罩;5、开机。注意事项:1、检查仪器整平摆放安全;2、开机前务必取下镜头保护罩;3、按住开机键1秒开机,等待仪器启动及自检1 min 50 s～3 min 20 s; 4、查看SD卡及电量确认仪器状态。

(2)参数设置

点云的最大密度取决于仪器设备旋转角步径,并且与距离的长短有很密切的关系。在扫描软件中对相关参数进行设定,以满足测量要求。

具体步骤:

①新建项目

(输入项目信息:项目 配置文件 操作员 常规设置 服务 传感器)。

②选择参数

选择配置文件—分辨率、质量(根据点间距要求)—水平垂直(框选重点物体、提高扫描分辨率)—彩色扫描(选择彩色、黑白,彩色用于建模)—眼睛安全距离—高级设置(更改过滤器设置 clear contour clear sky)

分辨率和质量的控制,调节滑块即可设置,只需设置一次。本次数据采集均采用设置为：分辨率1/5，标靶获取精度质量：2 mm@25 m，扫描时间20 min，扫描距离0.4～100 m，扫描点间距为7.67 mm/(1×10 m)。

2.3.3开始扫描

点击屏幕“开始扫描”即自动扫描。

2.3.4搬站

重复2.3.3,直至把数据扫描完,整个大型建筑物扫描27站,整体扫描时间为3 d,共分为八部分。

2.4 数据处理

2.4.1点云数据配准

把数据导入faro scene,进行自动拼接,Faro Focus三维激光扫描仪随机软件Scene中有多场景拼接查找特征的功能,蛙跳球与棋盘板均在特征内,由软件查找到的特征如果识别为绿色,即为可靠的特征,如果为黄色,为不稳定的特征,如果为红色,为不可靠的特征[8]。完成标靶拼接后将全站仪测量的坐标导出到文本文件将“棋盘板”、“X”、“Y”、“Z”坐标按顺序用半角逗号“,”分隔(或在Excel里按顺序保存为.csv文件),拖到结构框中选择“在群集级别导入”“导入”,会自动新建一个“References”文件夹。在“scanManager”上,选择“更新扫描”,“References”文件夹中的数据就会更新到相对应的棋盘板上,实现多站情况下的精度控制。

2.4.2点云数据处理

我们对点云的噪点进行了去除并且分块导出。多人协同工作,提高效率。

2.4.3建立几何模型

模型重建的基本思想:将点云逐级分割直到目标点云清晰可见后重建模型。模型分块后有每个人员进行分块后整个模型的重建,模型重建工作的关键步骤是点云的切割化简,例如拟合一个储罐,需要从密密麻麻的点云当中剪切出储罐的清晰点云,然后运用相关命令进行拟合[5]。

对大型建筑物建模后进行断面线的切割,间隔最小可为10 cm一个横断面,如图2所示。

图2 示意图

3 精度分析

本次大型建筑物扫描项目选择使用法如(FARO)三维激光扫描仪Foucs3D120进行。设备参数见表1(详见厂家提供的参数彩页)。

根据测量的过程主要的误差来源于三个方面:1.三维激光扫描仪的测距精度；2.标靶识别的精度；3.全站仪的测量精度。

作为仪器的测距精度为:25 m处2 mm。

标靶识别精度为:影响特征精度的条件有距离、角度、可识别面积、平衡等诸多方面。相邻两个或多个视场蛙跳球如果没有发生变化,而可识别的蛙跳球又成为绿色时,多场景拼接的精度也可保证在25 m处±2 mm的误差范围内。标靶纸的精度可以达到1 mm以下,通过我们的球形标靶布控方法,可以做到减小球形标靶识别误差的效果,控制在1.5 mm。

整体的精度分为两种情况:

(1)保证单向轴线精度的变形测量；

(2)保证多次变形测量精度:我们需要固定基站和后视棱镜并强制对中方式保证全站仪的定向精度。

坐标计算精度模型公式为:

X=x+Scosα,Y=y+Ssin α

Z=z+Stan(β)

(1)

式中，α为坐标方位角,S为两点的平面距离,斜距;β为天顶距(视线与水平线的夹角,注意正切正负值)。

X=x+Scos αdX=cosα×dS-
Ssinα×dA/206 265

(2)

Y=y+SsinαdY=sinα×dS+
Scosα×dA/206 265

(3)

Z=z+StanβdZ=tanβ×dS+
Ssec 2β×dβ/206 265

(4)

式中α为坐标方位角，S为两点的平面距离(斜距)，β为天顶距(视线与水平线的夹角，注意正切正负值)，x、y、z为仪器观测三维坐标，X、Y、Z为三维坐标真值，dX、dY、dZ为三方向误差，A为仪器测距精度。

保证单向轴线精度的变形测量过程中,外业全站仪自由设站,对标靶进行测量。其坐标的精度影响因素为全站仪的角度误差,测距中比例误差、照准误差,其中短距离照准误差可以控制在1.0 mm。

保证多次变形测量精度:我们需要固定基站和后视棱镜并强制对中方式保证全站仪的定向精度,后视测量采用自动照准,距离全站仪小于100 m,其坐标的精度影响因素为全站仪的角度误差,测距中比例误差、照准误差,其中短距离照准误差可以控制在0.5 mm,对中误差1.0 mm。

4 精度控制

4.1 全站仪测量球形标靶的精度控制

首先对于测量人员的要求是要精确照准来减少对中误差和照准误差。涉及每次测量需要后视的情况,测量标靶和后视都要距离控制在50 m左右,后视要采用强制对中或者反射片自动照准。测量标靶要考虑6～8个标靶中被测标靶图形关系。每个空间结构体尽可能用大空间三角形控制整体[10]。

4.2 球形标靶的位置控制

每个标靶群尽量保证与扫描仪的距离等同。每个球形标靶的放置的高度相等,尽量保证在同一水平面上。在选择摆放蛙跳球与棋盘板时,都选择与扫描仪的位置小于10 m,且棋盘板摆放时,尽可能地使棋盘板与全站仪和扫描仪放置位置的角度大于45°,同时确定蛙跳球摆放位置,使相邻的两次视场采集中共用,以确定相对关系。

表1 法如三维激光扫描仪Foucs3D 120参数

4.3 扫描仪的参数设置及扫描过程控制

扫描仪对大型建筑物的扫描时要从中间分别向两侧进行扫描。

4.4 对于求大型建筑物中心轴的数据

后期通过对数据进行分析比对,点云生成的内壁厚度均在1 mm之内,多视场拼接后的结果也在2 mm左右,在eomagic采用点云计算面的算法,考虑点云厚度均匀,根据扫描仪的布控和点云的质量决定对轴心的影响大小,多站可以记为1.0 mm,单站小于0.5 mm或者忽略不计[6]。

5 结束语

三维激光扫描技术是对激光测距技等原理进行利用并以此获得数据的一种新型技术,克服了传统测量技术的局限性,采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据,能够对任意物体进行扫描[7],且没有白天和黑夜的局限,快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据,广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、断面和体积测量等领域,具有一些优势,包括无须合作目标、精度较高、密度较高、效率较高以及全数字特征等。

三维激光扫描技术能够真实描述扫描对象的整体结构,以及形态特性,能够迅速准确的生成三维数据模型,防止基于点数据的分析方法导致的片面性。把三维激光扫描技术和控制策略相互结合在一起,能够得到扫描目标的坐标。三维激光扫描技术的技术优势,使得其在工程建设等领域具有广泛的应用,还具有较强的环境适应性。

在西方发达国家核电站、化工厂、隧道、建筑物变形检测等项目中,已经大量采用三维激光扫描仪对现场进行扫描,然后经过后处理后得到三维几何模型,再对所得模型进行进一步应用[10]。而在国内,三维激光扫描主要是用在古建筑维修、文物保护等领域,在大型建筑物变形测量方面的应用尚处于初级阶段,不过随着时间的推移,相信很快会发展起来。