建筑物测量中三维激光扫描技术的应用分析

摘要：目前，激光扫描技术获得了新的发展，三维激光扫描技术也应运而生。文章首先介绍了三维激光扫描技术的应用原理，而后对数据处理、数据建模过程进行了介绍，最后对建筑物测量中三维激光扫描技术的应用进行了探讨，这对于提升建筑工程的测量质量意义重大。

关键词：三维激光扫描技术；应用原理；数据处理；建筑物测量；数据建模 文献标识码：A

中图分类号：TP274 文章编号：1009-2374（2017）05-0172-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.05.083

近年来，在各种技术的支撑之下，激光扫描技术也获得了新的发展，三维激光扫描技术也应运而生。该技术的优势鲜明，能够进行各种复杂物体的扫描，并能够克服各种复杂环境的限制。由于其典型的优势特征，目前三维激光扫描技术已经被应用于工程测量、地图测井、加工检测等多种测量工作中。三维激光扫描技术能够对建筑物的三维信息进行快速扫描，并构建出合理的三维建筑模型，这为后续建模过程中的数据处理提供了丰富的资源。下面，笔者将对建筑物测量中三维激光扫描技术的应用进行深入分析。

1 三维激光扫描技术的应用原理介绍

三维激光扫描技术是新近才发展起来的，具有诸多优势，必然会在很多领域得到广泛的应用。三维建模方法通常有两种：第一，基于图像的方法；第二，基于几何的方法。前者是通过照片或者图片来建立模型的，大部分数据都来源于数码相机；而基于几何的方法则是通过激光扫描仪扫描所获得的数据来建立合理的三维模型，是利用几何信息进行建模的。三维激光扫描仪的类型多样，依据不同的扫描平台划分，有地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统以及机载激光扫描系统之分。而按照距离来分，三维激光扫描仪可以分为：长距离激光扫描仪，扫描距离在30米以上，该类仪器主要用于建筑物、矿山、大坝等的测量过程；中距离激光扫描仪的最长扫描距离小于30米，多用于室内空间及大型模具的测量过程；短距离激光扫描仪，最长的扫描距离不会超过3米，而最佳的扫描距离在1.2米左右，多用于小型模具的测量，扫描的速度快且精度高。航空激光扫描仪的最长扫描距离大都在1000米以上，需要配备精确的导航定位系统，适用于大范围地形的扫描测量工作。

三维激光扫描技术的主要作用对象是高速三维扫描仪，该设备充分运用激光扫描技术便可以在短短几分钟之内产生详细的三维图像。由于拥有触摸操作屏，激光扫描仪能够灵活地进行扫描，获得完善的扫描参数。从构造方面来说，三维激光扫描仪中配有一台高速精确的激光测距仪、可以均匀角度扫描的发射棱镜和数码相机，能够直接获得物体的整体影像，并完成对物体的全方位扫描。扫描完成之后，设备会对相关信息进行数据处理，从而获得目标表面的点云数据。从原始数据方面来说，三维激光扫描仪可以扫描到三类数据：扫描仪通过变动镜子的角度反射不同的脉冲激光；根据三维激光扫描仪器激光传播时间的不同，设定具体的位置，之后利用激光束的垂直及水平方向角得到仪器相对于扫描电的空间坐标。当然，这个坐标信息也是相对的。由于三维激光扫描的反射强度不同得到的数据不同。工作人员可以利用三维激光扫描仪的扫描点不同的反射强度匹配不同的色彩，并以此计算出某个点的三维坐标，并用（x，y，z，反射强度）来表示。由上述三数据可以看出，三维激光扫描仪技术的应用过程也就是数据信息与处理的过程，并形成空间坐标明确扫描物体与扫描点的具体方向关系。总之，要保证扫描数据准确、可靠，就要选择相应类型的扫描仪，并保证该仪器在标准范围内使用；要明确扫描对象的典型特征，明确需要通过扫描获得的数据信息，从而合理应用激光扫描仪。

2 建筑物测量中三维激光扫描技术的数据处理

正如上文所提到的，三维激光扫描技术的处理过程实际上是数据处理的过程。通过这个过程，目标位的数字模型也就建立起来。三维激光扫描技术的数据处理工作主要通过两个步骤进行：扫描数据的预处理和最终产品。下面笔者将对三维激光扫描仪的扫描数据的预处理和最终产品形成这两个环节进行深入介绍：

扫描数据的预处理工作内容相对宽泛，包括地理参考、坐标纠正、数据分割以及数据滤波等多个方面，也是直接在点云层面上进行操作。第一，地理参考的过程就是将三维激光扫描仪坐标下的云数据转换到不同的点云子集中，从而形成不同的曲面形式；第二，坐标纠正就是在三维激光扫描技术的扫描区域内设置不同的控制点，而同一区域内会包含多个同名的控制点。这些同名控制点就可以将不同的位置扫描到同一个坐标下；第三，数据滤波是滤出数据噪点，保持数据的“纯

净度”。

就目前来说，要发挥三维激光扫描仪的功能，就要合理充分应用各个控制软件，利用先进的数据处理技术。控制软件的主要作用是帮助扫描仪采集数据，并及时地给予相应处理，而各种处理技术则是由第三方厂商提供，主要是进行后续数据处理。得到数据之后，就要进行数据建模，而点云数据处理是其中最重要的部分。点云处理主要包括四个步骤：去除噪声；多视对齐；精简数据；重构曲面。第一，去除噪声就是指去除点云数据中扫描对象之外的数据，包括某些环境因素，如移动车辆等；第二，多视对齐，就是指从不同的位置和多个视角对建筑物进行多彩扫描，要在物体表面布设同名控制点，保证点云对齐的过程；第三，点云数据精简是在不影响曲面重构和精度的情况下精简数据，可以根据距离精简，也可以平均精简；第四，曲面重构就是将扫描仪获得的数据信息用曲面表现出来，从而将扫描对象的真实情况尽可能还原，如三角形网格、参数曲面等。通过以上步骤，点云数据的处理基本完成。综上所述，数据处理是三维激光扫描技术应用中的关键部分，需要先进行数据预处理，最后才能形成点云数据。

3 建筑物测量中三维激光扫描技术的应用

3.1 控制网的布设

三维激光扫描技术在建筑物建模测量中的应用中最关键的内容就是布设观测控制网。要严格按照三维激光扫描仪的扫描要求，选择合理的控制网布设方法，合理布设各个控制网的位置：第一，从精度上来说，控制网的精度不得低于建筑物建模的精度；第二，从网型上来说，控制网的形状必须合理，从而保证扫描仪能获得完整的数据信息；第三，从相邻控制点的架设要求方面来说，要保证控制点的通视良好，保证扫描过程顺利进行；第四，从距离方面来说，控制点与被测物体之间应保持50米之内的距离，从而保证检测精度。总之，在控制网布设的过程中，要努力遵循以上原则。而根据建筑物形状的不同，我们可以采用不同的控制网布设方案，目前来说，方案共有两种：第一，四面控制网布设法。该种方法适用于建筑物的长宽较大的情况，可以很好地对整面墙体进行扫描。工作人员可以在建筑物的四个角上设置控制点，使得两面墙体都能够被扫描到。多个角度扫描，同一个墙体就会被扫描多次，点云密度增加。这样一来，建筑物建模的精确度也会大大提高[如图1（a）]；第二，当建筑物的长宽相对较小时，就可以采用图1（b）布设方案。该种布设方案的扫描效果更为理想，并且能够大大节省检测时间，提高工作效率。

被测物体的夹角与扫描点精度之间存在密切关系，这也是长期工作实践的结果。如果夹角越小，精度越高。而通过上述两种方案，我们可以知道，定向边与被测墙体的夹角基本上都在45度之内，扫描点的精度还是相当高的。完成控网布设之后，工作人员可以采用较高精度的全站仪来测量建筑物的坐标，从而获得相应数据。如果控制点的距离较远时，就要在两个控制点之间增加一个控制点，使得测量的精确度进一步提高。

3.2 三维激光扫描的观测方法

要保证三维激光扫描仪的扫描效果，工作人员要做好以下四个方面的工作：第一，先选定一个控制点，然后在这个控制点上架设激光扫描仪。扫描仪要确保对中整平，并用各种数据线连接起来；第二，要将相邻控制点的距离设定在100米之内，50米左右最为合理，并保证标靶整平对齐；第三，要开启激光扫描仪的控制性软件，然后对准标靶进行认真扫描，扫描完成获得定向边的相关三维数据；之后，再次进行扫描，明确建筑物的点云数据；要重复扫描，确保数据精确合理；第四，要检查建筑物点云数据是否齐全，明确是否存在遗漏或者扫描效果不好的区域。如发现问题，必须进行再次扫描，从而确保数据安全可靠。在数据采集结束之后，就要将测得的数据转入业内数据进行处理。要保证采集到的数据合理，就要合理设置三维激光扫描仪的相应参数，避免影响扫描结果。总之，在技术应用过程中，工作人员要注意协调各方面的因素，数据扫描、分析以及建模工作等。

总之，建筑物测量中三维激光扫描技术的应用是一个相对复杂的过程，需要进行控制网的布设、需要采用合理的观测方法。工作人员要从建筑物的实际情况出发，合理应用三维激光扫描技术，确保扫描的精确度。

4 结语

三维激光扫描技术可以快速扫描被测物体，不需要反射棱镜便可以获得高精度的扫描点数据，在我国城市规划、土木工程、工业测量等领域应用较多。同时，三维激光扫描仪在复杂地形地貌的建筑物建模方面优势明显，具有广泛的发展前景。由于各种主客观限制性因素的影响，我国建筑物测量中三维激光扫描仪器的应用还存在很多不完善之处。未来相关工作人员应该加快研究工作，努力拓宽三维激光扫描技术的应用范围，提升技术的使用效率及效果。

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作者简介：唐景全（1971-），男，广东佛山人，佛山市三水国盛测绘有限公司测绘工程师。