地面三維激光掃描儀在建筑物立面測(cè)量中的應(yīng)用

浙江省統(tǒng)一征地事務(wù)辦公室 吳義正

地面三維激光掃描儀在建筑物立面測(cè)量中的應(yīng)用

浙江省統(tǒng)一征地事務(wù)辦公室 吳義正

地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描系統(tǒng)的誕生為代表，是繼GPS技術(shù)以來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，它使測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)入新的發(fā)展階段。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)效率低、信息損失大、專業(yè)性難以推廣的缺點(diǎn)，能對(duì)任何物體進(jìn)行掃描，快速高效地將現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成易于處理的數(shù)據(jù)，最大程度的還原了真實(shí)社會(huì)環(huán)境，具有信息量豐富、直觀可視、便于使用、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。在建筑物立面測(cè)量領(lǐng)域，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，克服了傳統(tǒng)建筑立面測(cè)量的局限性，它不再是利用皮尺、測(cè)距儀等簡(jiǎn)單工具進(jìn)行建筑物長(zhǎng)寬高的測(cè)量模式，而是能對(duì)建筑物進(jìn)行無(wú)接觸、快速、高精度掃描，同時(shí)將獲得的點(diǎn)云信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)的高效測(cè)量方式。解決了建筑物立面數(shù)據(jù)人工采集時(shí)所帶來(lái)的精度損失、效率損失等問題，尤其是解決了高層建筑物立面元素?zé)o法量測(cè)的問題。

一、地面三維激光掃描儀工作原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（一）工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三部分組成：掃描儀、控制器(計(jì)算機(jī))和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)。三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)測(cè)距原理不同分為脈沖式掃描系統(tǒng)、相位式掃描系統(tǒng)和三角測(cè)量式掃描系統(tǒng)。目前市場(chǎng)流行的地面三維激光掃描儀主要是脈沖式，脈沖式測(cè)距由于激光的發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，瞬時(shí)功率極大，因而測(cè)距范圍可以達(dá)到幾百米，甚至上千米。脈沖式三維激光掃描儀通過兩個(gè)同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測(cè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間(或者相位差)來(lái)計(jì)算距離，同時(shí)內(nèi)置精密時(shí)鐘控制編碼器，同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值。激光掃描系統(tǒng)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)除了兩個(gè)角度值和一個(gè)距離值，還有掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度，兩個(gè)角度值和一個(gè)距離值用于計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，反射強(qiáng)度用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色。拼接不同站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)時(shí)，需要用公共點(diǎn)進(jìn)行變換，以統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中。

圖1 作業(yè)流程圖

（二）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在建筑物立面測(cè)量作業(yè)中，三維激光掃描技術(shù)與全站儀等單點(diǎn)采集三維數(shù)據(jù)的方法相比：

1.對(duì)被測(cè)目標(biāo)要求不同

全站儀只能測(cè)量反射棱鏡所在位置的點(diǎn)位坐標(biāo)，被測(cè)物體必須是棱鏡能夠到達(dá)的地方，難以對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域或測(cè)量人員難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。而三維激光掃描不需要接觸被測(cè)物體就可以工作。

2.對(duì)觀測(cè)環(huán)境的要求不同

全站儀因?yàn)樾枰闇?zhǔn)棱鏡，必須在白天或者較明亮的地方進(jìn)行測(cè)量。而三維激光掃描測(cè)量可以全天候的進(jìn)行測(cè)量。

3.測(cè)量精度不同

三維激光掃描儀和全站儀的單點(diǎn)定位精度都是毫米級(jí)的，三維激光描儀的定位精度比全站儀略低，但是目前部分全站式三維激光掃描儀已經(jīng)可以達(dá)到全站儀的精度，滿足立面測(cè)量的精度是足夠的。

4.獲取數(shù)據(jù)的量不同

全站儀只能夠有限度地獲取目標(biāo)的特征點(diǎn)。而三維激光掃描儀可以獲取高密度的觀測(cè)目標(biāo)的海量數(shù)據(jù)，采樣速率高，對(duì)目標(biāo)的描述細(xì)致。

二、技術(shù)路線

本文結(jié)合杭州市某新農(nóng)村立面測(cè)量項(xiàng)目，提出地面三維激光掃描儀在建筑物立面測(cè)量中的作業(yè)流程，如圖1所示。

(一)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

1.儀器參數(shù)

本次掃描采用Leica ScanStaion C10掃描儀，基本參數(shù)如下：

測(cè)量精度：點(diǎn)位精度6mm、距離精度4mm、模型表面精度2mm。

測(cè)程：0.1-300m 。 掃描視場(chǎng)：360°×270°。

掃描速率：50000點(diǎn)/秒。

2.控制測(cè)量與測(cè)站布設(shè)

地面三維激光掃描外業(yè)控制可視測(cè)區(qū)具體情況采用相對(duì)定位與絕對(duì)定位兩種方式。本次外業(yè)的測(cè)區(qū)為房屋密集地區(qū)，測(cè)區(qū)外圍省級(jí)CORS站信號(hào)覆蓋良好，內(nèi)部由于房屋密集GPS信號(hào)較弱，因此本次作業(yè)控制測(cè)量采取外圍布設(shè)控制點(diǎn)，內(nèi)部采取支站的方式進(jìn)行。

地面三維激光掃描作業(yè)測(cè)站布設(shè)應(yīng)當(dāng)能夠完全覆蓋測(cè)區(qū)范圍，站站之間距離應(yīng)能夠保證一定的點(diǎn)云重疊度。由于建筑物密集且建筑物之間的間隙很小，因此本次掃描作業(yè)采取在建筑物四個(gè)角點(diǎn)均布設(shè)測(cè)站的方式。

（二）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理與配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理與配準(zhǔn)采用徠卡公司的配套處理軟件Cyclone。將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件，各站數(shù)據(jù)需要通過公共點(diǎn)進(jìn)行拼接，由于本次掃描作業(yè)擁有地面控制成果，因此可通過軟件自動(dòng)對(duì)各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接配準(zhǔn)。拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還需進(jìn)行統(tǒng)一化處理，目的在于將模型空間里的多塊點(diǎn)云合成為一個(gè)單一有效的點(diǎn)云。配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 建筑點(diǎn)云圖

2.點(diǎn)云切割與空間坐標(biāo)系建立

經(jīng)過統(tǒng)一化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是包含測(cè)站范圍內(nèi)所有地物三維坐標(biāo)信息的整體數(shù)據(jù)，通過切割點(diǎn)云可以獲得各個(gè)獨(dú)立建筑物的有效數(shù)據(jù)。為了使得各建筑物各立面數(shù)據(jù)能夠正確投影到二維平面上，需以建筑物立面數(shù)據(jù)為依據(jù)建立空間坐標(biāo)系。單體子集點(diǎn)云如圖3所示。

圖3 單體點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

圖4 立面矢量化描繪圖

（三）立面圖繪制

立面圖通常采用AutoCAD軟件繪制，通過CloudWorx插件可以完美實(shí)現(xiàn)Cyclone與AutoCAD的連接。將處理完成的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到AutoCAD中，通過三維靜態(tài)顯示可以切換到建筑物各個(gè)立面，在平面上進(jìn)行矢量化描繪，如圖4所示。將描繪完成的立面圖附以俯視圖與建筑物現(xiàn)場(chǎng)照片即可輸出建筑物立面測(cè)繪成果，如圖5所示。

圖5 立面圖

三、結(jié)語(yǔ)

本文立足測(cè)繪新技術(shù)的應(yīng)用，介紹了地面三維激光掃描儀的原理與技術(shù)特點(diǎn)。結(jié)合杭州市某新農(nóng)村立面測(cè)繪項(xiàng)目對(duì)地面三維激光掃描儀運(yùn)用于立面測(cè)繪領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、路線進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。地面三維激光掃描儀快速、準(zhǔn)確、高效等技術(shù)優(yōu)勢(shì)在建筑物立面測(cè)繪領(lǐng)域得到充分的展現(xiàn)，取得了較好的成效。

地面三維激光掃描儀的出現(xiàn)與工程化應(yīng)用必將改變傳統(tǒng)測(cè)繪作業(yè)模式，提高作業(yè)效率。地面三維激光掃描儀采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅僅可以在立面測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用，它也可以用于建筑物三維建模、城市日照分析等領(lǐng)域。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，規(guī)范的完善，地面激光掃描儀必將在測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。