地面三维激光扫描技术在复杂外型建筑物空间信息获取中的应用

[摘要]地面三维激光扫描技术因其非接触式高精度海量地获取目标物的三维坐标点云数据，为复杂外型建筑物空间信息获取提供了新方法。本文详细阐述利用地面三维激光扫描技术进行复杂外型建筑物空间信息获取的外业与内业流程及其关键技术，并通过试验验证所获取的空间信息点位精度可靠。

[关键词]地面三维激光扫描技术；点云数据；复杂外型建筑物

0引言

地面三维激光扫描技g是一种以激光测距方式快速获取大量测点三维坐标的测量技术，能够克服传统测量技术的局限性，获取更加全面的建筑物信息，实现测绘成果数字化，对于建筑物的三维重建及变形监测都具有重要意义。通过获取建筑物点云数据，可以进行建筑物的三维重建、虚拟现实以及进行建筑物变形观测等，为城市规划设计和管理提供科学基础。我国基于地面三维激光扫描技术的建筑物测绘方法普及较快，但主要针对建筑物表面的单一结构。近几年对于复杂外型的建筑物的测量方法研究也逐渐受到重视，建筑外型几何结构多变、变化的光照条件、复杂地形以及不规则未知遮挡物等问题都成为新的研究热点。

1传统城市建筑物空间信息获取技术

1.1全站仪获取技术

全站仪是现今较多使用的基本测绘仪器，它能够对一般建筑物进行距离测量和角度测量，从而获取建筑的空间坐标等信息，能够保证一定的测绘速度，测绘精度也高。但对于高层特别是超高层建筑物，全站仪受城市空间地形的限制，多数不能瞄准到待测量点位，即使不断变换测量站点也很难瞄准到待测量点位，而且全站仪获取到的建筑物空间信息没有色彩纹理等建筑图像概念。

1.2GNSS获取技术

传统GNSS技术可以直接得到建筑物目标在大地坐标系中的位置，GNSS原理简单，操作方便，在高层建筑物变形监测中比传统测量方法优势显著。GNSS测量对目标的形状、格局并没有特殊要求，尤其不怕树木的遮挡，适用于林木茂密地区，但其测量条件是人员可达，需要人员到达每一个点位进行“接触式”测量，速度慢，效率较低，信号容易受到遮挡，一般不用于室内。因此，GNSS适用的目标多为大尺度、细节变化少的目标，所以用它来测绘建筑细部，效率比较低，也不够精确。

1.3摄影测量技术

摄影测量主要是在像片上进行量测，获取大量复杂的几何信息与表面纹理信息，无需接触建筑物本身，较少受自然和地理条件限制。摄影测量从模拟摄影测量开始，经过解析摄影测量阶段，现已进入数字摄影测量时代。多基线摄影测量采用短基线、多影像摄影测量原理，欲利用现有的非量测数码相机，按要求拍摄大量具有较短基线和不同交会角的序列影像，然后将少量全站仪测量的高精度点位坐标与摄影测量丰富的影像信息结合起来，获取大量同名点的空间坐标并建立高精度的数字化模型。

2地面三维激光扫描技术

地面三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD、仪器内部控制和校正系统等。在仪器通过两个同步反射镜快速而有序的旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间（或者相位差）来计算距离。

3基于地面三维激光扫描技术的复杂外型建筑空间信息获取

地面三维激光扫描技术获取城市复杂外型建筑物空间信息工作流程大致分为扫描方案设计、外业数据采集和内业数据处理三部分。

3.1扫描方案设计

首先整体踏勘现场，收集数据资料，包括控制点、点位图、作业时间段等信息，根据现场条件和建筑物整体外形特点确定一条合理的扫描路线；合理布设扫描视点位置，对于一个单体独立的建筑物设置扫描测站4～6站为最佳，扫描仪距离建筑物10～20米较为适宜；地面三维激光扫描仪的采样密度间隔根据工程项目精度要求设定；设备方面保证有充足的电源，足够数量的标靶球或标靶板；人员方面确定好运输设备、操作仪器、布设标靶等分工。

3.2外业数据采集

为了减少采集原始点云数据及其拼接的误差，有效控制地面三维激光扫描仪累计误差，通常采用架设全站仪测量多个扫描视点坐标的方法，并尽可能选择较少的视点位置扫描完成外业数据采集工作。在扫描过程中相邻两站之间需要保证一定的重叠度，每站必须要有三个控制标靶重合以满足点云的拼接；要保证扫描建筑物数据的完整性，对于复杂结构建筑扫描时，可以加密部分站点。随着地面三维激光扫描仪的不断发展，利用扫描仪内部集成的数码相机获取建筑物的影像和标靶的影像，这些影像反差低、色彩逼真、细节层次明显，完全能够满足后续点云处理和纹理贴图的需要。

3.3内业数据处理

3.3.1点云数据去噪滤波

对获取的点云数据进行地物分离，提取建筑物数据。将扫描视场范围内的其他无关物体的点云数据滤波去掉，清除周围的噪声数据，从而减少数据量，简化处理难度。

3.3.2点云数据配准

在扫描过程中，每次得到的扫描点云数据都是独立在当前视点下的一个局部坐标系内，为了将所有的扫描数据统一在一个坐标系下，就必须对扫描点云数据进行配准。可以采用基于标靶的拼接配准、基于特征点云的拼接配准、基于测站点的点云拼接配准等方法。

3.3.3点云数据网格化

经过配准融合后的建筑物点云数据是离散的，不能准确真实地表示建筑物的表面形状，需要将这些点云数据转化为三角网格等模型，根据点云的结构、点的分布等因素构建出以数据点为顶点的TIN三角形，以更好地逼近建筑物表面形状。

3.3.4点云数据压缩

经过去噪和滤波后剩余的有效点云数量也非常多，为缩减点云数量，加快点云处理速度，有必要采取一些方法，在保证失真较小的情形下，尽可能地保留原始点云的特征，最大限度地压缩点云数据，删除不必要的数据，只留下对后续处理和建模有用的凝缩数据。目前常用的方法主要为最小距离法、角度偏差法、距离一角度联合与弦值法。

3.3.5特征提取

建筑物特征要素提取直接关系到模型的完美程度，可以对点云数据网格化，建立拓扑关系，从而进行边界线提取；也可以从通过点云数据的距离信息、ccD影像等方法提取建筑物各个特征结构，如门、窗、阳台等。

3.3.6三维建模

建筑物三维模型是基于点云模型构建的，对于大型建筑物进行建模时，要把建筑物的每一个构件进行分离，分离时可分为规则的建筑物构件和不规则的建筑物构件。所建立的三维模型是建筑物重要的空间信息，可在模型上提取断面图，进行量测量、网上等一系列操作。

3.3.7纹理映射

三维模型建立后，进行纹理映射，将数码相机获得建筑物影像信息恢复到模型表面，纹理映射技术重建模型逼真的表面信息，产生仿真的视觉效果，生成三维景观模型。

4结语

地面三维激光扫描技术为高精度获取城市建筑物空间信息提供了有效的解决方法。本文阐述三维激光扫描技术获取城市建筑物空间信息的可行性，通过试验验证了所获取数据精度的可靠性。利用三维激光扫描技术测量能够减少普通测量外业工作量，避免人工攀爬，避免每一个建筑物进行“接触式”的测量。三维激光扫描技术在大型建筑场地及建筑物内部信息获取等领域同样具有广阔的应用前景，这将是需要进一步研究的方向。