基于三维激光扫描技术的城市建筑物立面测绘数据采集方法

2023-01-10陈伟

现代制造技术与装备 2022年12期

陈伟

（福州市勘测院有限公司，福州 350108）

伴随着经济的发展与进步，我国建筑工程的建设类型越来越多，使得以往的建筑测绘方法已经不能满足现在的需求[1-2]。三维激光扫描技术通过应用建筑物点云技术采集和处理建筑信息，从而得到建筑物的数字化立体特征[3]。采用特定的计算方法，对采集的数字化信息进行三维建模，可以完成城市建筑物的三维实景测绘。三维激光扫描技术的应用大大提高了建筑物测绘的效率，优化了测绘的精准度，为建筑工程行业的发展奠定了基础。本文通过对三维激光扫描技术的分析与应用，研究了一种城市建筑物立面测绘数据的采集方法，希望可以提高建筑物测绘数据的准确性，为建筑物的智能化测绘提供技术参考。

1 三维激光扫描技术作用机理

在三维激光扫描技术中，发挥最大作用的硬件设备是三维激光扫描仪，主要作用是获取扫描对象的三维信息。这种扫描仪可以精准扫描建筑对象的微小细节，主要功能特点如表1所示。

表1 三维激光扫描仪的主要功能特点表

基于表1扫描仪的主要功能特点，分析三维激光扫描技术的作用机理。在三维激光扫描仪的扫描过程中，根据特定的规律，从水平和竖直两个方向全方位立体扫描建筑对象，具体的作用原理如图1所示。

图1 三维激光扫描技术作用机理

其中：α、β分别为激光扫描位置到激光中心点的水平夹角、竖直夹角；o为中心点。根据图1的作用机理，可以计算激光扫描位置A的具体坐标（Z1，Z2，Z3），计算表达式为

式中：η为三维激光扫描仪的扫描位置到激光中心点的斜距；Z1、Z2分别为扫描建筑位置的水平面两个方向的坐标点；Z3为扫描建筑位置的竖直方向的坐标点。通过计算可以得到建筑物不同位置点的具体坐标位置，从而为建筑的测绘提供数据基础。

2 建筑测绘数据采集与预处理

2.1 点云数据的采集

应用激光扫描技术采集建筑物立面的测绘数据。采集前，应确定激光扫描仪的扫描位置，设计科学合理的扫描参数，以提高测绘数据的精准性。根据实际的建筑物特征，确定仪器架设位置，将三维扫描仪布设在该测量位置。扫描前，需要确定扫描的测距、测角精度、分辨率以及扫描模式等基本参数后，才能进行扫描测绘工作。在同一个位置扫描同一个建筑物，只能获取到建筑物局部的信息特征。因此，需要不断更换扫描位置，重复上述的扫描步骤，完成对城市建筑物立面数据节点的采集。应用最小二乘法将采集的节点数据进行线性拟合，节点平面的计算表达式为

式中：z1、z2分别为数据节点在水平面内的坐标位置；i、j分别为z1、z2拟合直线的斜率；k为截距。

该表达式的矩阵状态为

式中：z3为数据节点在竖直方向的坐标位置。

引入拟合向量ω，代入式（3），得到数据信息节点的线性拟合计算表达式为

当式（4）的计算结果取最小值时，即数据节点线性拟合的误差最小法向量。根据以上计算可以设定建筑物初始的扫描位置，并获得立面测绘数据点云信息，为后续的测绘工作奠定基础。

2.2 点云数据预处理

初步获取的建筑物立面测绘点云数据含有错误或者异常的数据点，会使建筑的整体测绘结果产生一定程度的误差。因此，需要采用点云数据配准算法对计算得到的建筑物测绘初始数据进行预处理，去除数据节点中的无效信息和异常信息。

应用均值滤波的处理方法进行数据处理，计算表达式为

式中：ε为均值处理计算；e(z1,z2)为均值滤波的输出结果；p(z1,z2)为以数据节点为中心的滤波窗口显示的坐标点；q(z1,z2)为数据节点坐标的灰度值。通过计算先将建筑物测绘数据节点按照灰度值进行降序排列，再将均值作为输出结果，找到输出结果对应中心的像素并匹配相应的灰度值[4]。根据均值滤波处理方法，可去除点云数据的噪声点并分散点云数据的密度，通过压缩、精简建筑物立面测绘点，确保后续建筑测绘工作的顺利进行。在扫描建筑物测绘数据信息的过程中存在部分区域被一些不可抗的物体遮挡或者待测建筑物的体积过于庞大而超出扫描范围的情况，因此在数据采集过程中建议以待测建筑物为中心点，布设多个不同的扫描点进行扫描[5]。为了对多个不同维度的坐标位置进行调整，需要通过拼接技术完成坐标位置的空间转换，转换的计算表达式为

式中：mr、nr分别为两个维度需要进行拼接转换的建筑物测绘数据点；B、D分别为空间转换的平行位移转换矩阵和旋转转换矩阵。

采用极坐标转换法将两个坐标系的点云数据进行统一，转换计算表达式为

式中：τ为待转换坐标到极点的距离；φ为待转换坐标系与极轴之间在逆时针方向的角度差。根据式（7）的转换计算，对不同坐标位置的数据进行统一整合，完成点云数据的预处理工作。通过计算可以去除点云数据的噪声点，提高数据的精简化程度，并进行数据的拼接、整合计算，还可以实现不同维度建筑物立面测绘数据的整合，得到精确的城市建筑物立面测绘数据集合，为后续的建筑物测绘工作奠定良好的基础。

3 试验与检测

为检测设计的基于三维激光扫描技术的城市建筑物立面测绘数据采集方法的可行性与稳定性，设计点云配准的误差对比试验。

3.1 试验准备

试验的基本仪器为三维激光扫描仪，仪器的具体参数如表2所示。

表2 三维激光扫描仪的基本参数表

基于MeshLab系统搭建试验平台，将一台Dell服务器接入以太网，签订传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），用于开发Python语言。系统的内存为64 GB，运存为8 GB。在系统中接入点云数据库（Point Cloud Library，PCL）作为测绘数据的存储中心。采用Intel酷睿i71400HQ作为系统的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）端，64 bit操作系统，双显卡配置，主频为2.6 GHz。在上述试验平台的基础上，随机选择M城市某建筑物的6处标准、均匀的位置点作为试验对象。

3.2 试验结果与分析

应用设计方法（试验组）与传统的测绘数据采集方法（对照组），利用三维激光扫描仪，通过试验平台的Scan Master软件，对该建筑物进行测绘数据的采集和预处理。将配准坐标结果与实际的测绘数据坐标进行差值计算，再将得到的结果用MATLAB程序进行绘制，分别如图2、图3和图4所示。

图2 检测点Z1方向的坐标差值对比图

图3 检测点Z2方向的坐标差值对比图

图4 检测点Z3方向的坐标差值对比图

由图2、图3和图4可知，试验组在3个方向上（Z1、Z2、Z3）与实际测量结果的坐标差绝对值的均值分别为3.13 mm、3.05 mm、1.74 mm，比对照组的坐标差绝对值的均值分别低4.65 mm、8.43 mm、9.84 mm，表明试验组的数据结果更加贴近实际。试验结果表明，设计的基于三维激光扫描技术的城市建筑物立面测绘数据的采集方法具有准确性与可行性，可为建筑工程的建筑数据测绘提供有效的技术支持，对建筑行业的发展具有一定的推动作用。