大型建筑物三維激光掃描的流程及精度分析

郭向前 陳富強(qiáng) 郝偉濤

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院, 鄭州 450006; 2. 河南省地質(zhì)勘查信息化工程技術(shù)研究中心, 鄭州 450006)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一項新技術(shù),是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢[1]。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù),因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。它通過非接觸式高速激光掃描測量,獲取被測對象的表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),同時獲取相應(yīng)的影像數(shù)據(jù),經(jīng)專業(yè)后處理軟件對點云數(shù)據(jù)處理后可以得到與實景1∶1的三維立體模型,其精度可達(dá)毫米級,并可以輸出多種格式,滿足不同應(yīng)用的需要[2]。

三維激光掃描技術(shù)是通過激光測距原理(包括脈沖激光和相位激光),瞬時測得空間三維坐標(biāo)值的測量儀器[3],利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點云數(shù)據(jù),可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可視化模型,既省時又省力,這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件提交所不可比擬的[4]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及掃描儀分類

三維激光掃描系統(tǒng)通常由以下四部分組成:(1)三維激光掃描儀;(2)數(shù)碼相機(jī);(3)后處理軟件;(4)電源以及附屬設(shè)備。

三維激光掃描儀按照掃描平臺可以分為:機(jī)載(或星載)激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。

三維激光掃描儀按照其有效掃描距離可分為:短距離激光掃描儀、中距離激光掃描儀、長距離激光掃描儀和航空激光掃描儀[5-9]。

2 實施工作流程

項目實施工作流程圖如圖1所示。

圖1 項目實施工作流程圖

2.1 資料準(zhǔn)備

包括已有資料搜集和準(zhǔn)備,設(shè)備的準(zhǔn)備,安全措施準(zhǔn)備(faro三維激光掃描儀、全站儀、腳架、球形標(biāo)靶、標(biāo)靶紙等)。

2.2 現(xiàn)場踏勘

根據(jù)已有圖紙現(xiàn)場踏勘,項目整體為不規(guī)則大型建筑物結(jié)構(gòu),總體長約400 m,高約為16 m寬約為9 m共分為9段,在圖紙上標(biāo)明需要架設(shè)的站點,認(rèn)真翔實的安排掃描計劃,根據(jù)特殊情況分區(qū)掃描,根據(jù)我們在大型建筑物里進(jìn)行一站的掃描,確定掃描空間的大小,計劃掃描大約30站,每段長短不一。最長的分段距離為90 m,最短為20 m。整體掃描時間初步定為三天,由于現(xiàn)場已經(jīng)開始2次施工情況比較復(fù)雜,廢棄物及一些施工物品擺放在現(xiàn)場,可能會導(dǎo)致掃描現(xiàn)場部分?jǐn)?shù)據(jù)缺少,對其現(xiàn)場構(gòu)件進(jìn)行打掃清潔,以防進(jìn)行2次掃描。這些都為掃描工作的安全順利進(jìn)行打下堅實的基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

2.3.1標(biāo)靶布設(shè)

在儀器的兩側(cè)分別放置球形標(biāo)靶及棋盤板共計4個,保證了兩站之間至少三個公共拼接目標(biāo),站與球形標(biāo)靶之間通視。需要注意球形標(biāo)靶擺放注意圖形,球形標(biāo)靶不要在同一水平面,一條直線上;三個球形標(biāo)靶之間的距離必須大于1 m;如果用標(biāo)靶紙激光入射角不要低于45°角;注意標(biāo)靶紙與球形標(biāo)靶不能移動、不能有人或物阻擋。球形標(biāo)靶與掃描儀的距離為2～15 m(取決于對象尺寸和掃描分辨率,球形標(biāo)靶200 mm,最大距離可達(dá)45 m),項目實施過程中球形標(biāo)靶控制在10 m以下。標(biāo)靶的布控在三維掃描中非常重要,特別是高精度掃描,是影響精度重要指標(biāo)之一。

2.3.2掃描設(shè)置

(1)架站

根據(jù)測站的安排計劃并結(jié)合實際情況架設(shè)掃描儀,保證儀器架設(shè)穩(wěn)定,四周測量環(huán)境良好,分析掃描的局限區(qū)域,以便下站及時補(bǔ)測。儀器水平氣泡居中,傾角傳感器可自動補(bǔ)償正負(fù)5度。

具體步驟:1、放置腳架;2、安置儀器;3、整平;4、取下鏡頭罩;5、開機(jī)。注意事項:1、檢查儀器整平擺放安全;2、開機(jī)前務(wù)必取下鏡頭保護(hù)罩;3、按住開機(jī)鍵1秒開機(jī),等待儀器啟動及自檢1 min 50 s～3 min 20 s; 4、查看SD卡及電量確認(rèn)儀器狀態(tài)。

(2)參數(shù)設(shè)置

點云的最大密度取決于儀器設(shè)備旋轉(zhuǎn)角步徑,并且與距離的長短有很密切的關(guān)系。在掃描軟件中對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,以滿足測量要求。

具體步驟:

①新建項目

(輸入項目信息:項目 配置文件 操作員 常規(guī)設(shè)置 服務(wù) 傳感器)。

②選擇參數(shù)

選擇配置文件—分辨率、質(zhì)量(根據(jù)點間距要求)—水平垂直(框選重點物體、提高掃描分辨率)—彩色掃描(選擇彩色、黑白,彩色用于建模)—眼睛安全距離—高級設(shè)置(更改過濾器設(shè)置 clear contour clear sky)

分辨率和質(zhì)量的控制,調(diào)節(jié)滑塊即可設(shè)置,只需設(shè)置一次。本次數(shù)據(jù)采集均采用設(shè)置為：分辨率1/5，標(biāo)靶獲取精度質(zhì)量：2 mm@25 m，掃描時間20 min，掃描距離0.4～100 m，掃描點間距為7.67 mm/(1×10 m)。

2.3.3開始掃描

點擊屏幕“開始掃描”即自動掃描。

2.3.4搬站

重復(fù)2.3.3,直至把數(shù)據(jù)掃描完,整個大型建筑物掃描27站,整體掃描時間為3 d,共分為八部分。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

把數(shù)據(jù)導(dǎo)入faro scene,進(jìn)行自動拼接,Faro Focus三維激光掃描儀隨機(jī)軟件Scene中有多場景拼接查找特征的功能,蛙跳球與棋盤板均在特征內(nèi),由軟件查找到的特征如果識別為綠色,即為可靠的特征,如果為黃色,為不穩(wěn)定的特征,如果為紅色,為不可靠的特征[8]。完成標(biāo)靶拼接后將全站儀測量的坐標(biāo)導(dǎo)出到文本文件將“棋盤板”、“X”、“Y”、“Z”坐標(biāo)按順序用半角逗號“,”分隔(或在Excel里按順序保存為.csv文件),拖到結(jié)構(gòu)框中選擇“在群集級別導(dǎo)入”“導(dǎo)入”,會自動新建一個“References”文件夾。在“scanManager”上,選擇“更新掃描”,“References”文件夾中的數(shù)據(jù)就會更新到相對應(yīng)的棋盤板上,實現(xiàn)多站情況下的精度控制。

2.4.2點云數(shù)據(jù)處理

我們對點云的噪點進(jìn)行了去除并且分塊導(dǎo)出。多人協(xié)同工作,提高效率。

2.4.3建立幾何模型

模型重建的基本思想:將點云逐級分割直到目標(biāo)點云清晰可見后重建模型。模型分塊后有每個人員進(jìn)行分塊后整個模型的重建,模型重建工作的關(guān)鍵步驟是點云的切割化簡,例如擬合一個儲罐,需要從密密麻麻的點云當(dāng)中剪切出儲罐的清晰點云,然后運用相關(guān)命令進(jìn)行擬合[5]。

對大型建筑物建模后進(jìn)行斷面線的切割,間隔最小可為10 cm一個橫斷面,如圖2所示。

圖2 示意圖

3 精度分析

本次大型建筑物掃描項目選擇使用法如(FARO)三維激光掃描儀Foucs3D120進(jìn)行。設(shè)備參數(shù)見表1(詳見廠家提供的參數(shù)彩頁)。

根據(jù)測量的過程主要的誤差來源于三個方面:1.三維激光掃描儀的測距精度；2.標(biāo)靶識別的精度；3.全站儀的測量精度。

作為儀器的測距精度為:25 m處2 mm。

標(biāo)靶識別精度為:影響特征精度的條件有距離、角度、可識別面積、平衡等諸多方面。相鄰兩個或多個視場蛙跳球如果沒有發(fā)生變化,而可識別的蛙跳球又成為綠色時,多場景拼接的精度也可保證在25 m處±2 mm的誤差范圍內(nèi)。標(biāo)靶紙的精度可以達(dá)到1 mm以下,通過我們的球形標(biāo)靶布控方法,可以做到減小球形標(biāo)靶識別誤差的效果,控制在1.5 mm。

整體的精度分為兩種情況:

(1)保證單向軸線精度的變形測量；

(2)保證多次變形測量精度:我們需要固定基站和后視棱鏡并強(qiáng)制對中方式保證全站儀的定向精度。

坐標(biāo)計算精度模型公式為:

X=x+Scosα,Y=y+Ssin α

Z=z+Stan(β)

(1)

式中，α為坐標(biāo)方位角,S為兩點的平面距離,斜距;β為天頂距(視線與水平線的夾角,注意正切正負(fù)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為坐標(biāo)方位角，S為兩點的平面距離(斜距)，β為天頂距(視線與水平線的夾角，注意正切正負(fù)值)，x、y、z為儀器觀測三維坐標(biāo)，X、Y、Z為三維坐標(biāo)真值，dX、dY、dZ為三方向誤差，A為儀器測距精度。

保證單向軸線精度的變形測量過程中,外業(yè)全站儀自由設(shè)站,對標(biāo)靶進(jìn)行測量。其坐標(biāo)的精度影響因素為全站儀的角度誤差,測距中比例誤差、照準(zhǔn)誤差,其中短距離照準(zhǔn)誤差可以控制在1.0 mm。

保證多次變形測量精度:我們需要固定基站和后視棱鏡并強(qiáng)制對中方式保證全站儀的定向精度,后視測量采用自動照準(zhǔn),距離全站儀小于100 m,其坐標(biāo)的精度影響因素為全站儀的角度誤差,測距中比例誤差、照準(zhǔn)誤差,其中短距離照準(zhǔn)誤差可以控制在0.5 mm,對中誤差1.0 mm。

4 精度控制

4.1 全站儀測量球形標(biāo)靶的精度控制

首先對于測量人員的要求是要精確照準(zhǔn)來減少對中誤差和照準(zhǔn)誤差。涉及每次測量需要后視的情況,測量標(biāo)靶和后視都要距離控制在50 m左右,后視要采用強(qiáng)制對中或者反射片自動照準(zhǔn)。測量標(biāo)靶要考慮6～8個標(biāo)靶中被測標(biāo)靶圖形關(guān)系。每個空間結(jié)構(gòu)體盡可能用大空間三角形控制整體[10]。

4.2 球形標(biāo)靶的位置控制

每個標(biāo)靶群盡量保證與掃描儀的距離等同。每個球形標(biāo)靶的放置的高度相等,盡量保證在同一水平面上。在選擇擺放蛙跳球與棋盤板時,都選擇與掃描儀的位置小于10 m,且棋盤板擺放時,盡可能地使棋盤板與全站儀和掃描儀放置位置的角度大于45°,同時確定蛙跳球擺放位置,使相鄰的兩次視場采集中共用,以確定相對關(guān)系。

表1 法如三維激光掃描儀Foucs3D 120參數(shù)

4.3 掃描儀的參數(shù)設(shè)置及掃描過程控制

掃描儀對大型建筑物的掃描時要從中間分別向兩側(cè)進(jìn)行掃描。

4.4 對于求大型建筑物中心軸的數(shù)據(jù)

后期通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對,點云生成的內(nèi)壁厚度均在1 mm之內(nèi),多視場拼接后的結(jié)果也在2 mm左右,在eomagic采用點云計算面的算法,考慮點云厚度均勻,根據(jù)掃描儀的布控和點云的質(zhì)量決定對軸心的影響大小,多站可以記為1.0 mm,單站小于0.5 mm或者忽略不計[6]。

5 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)是對激光測距技等原理進(jìn)行利用并以此獲得數(shù)據(jù)的一種新型技術(shù),克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性,采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù),能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描[7],且沒有白天和黑夜的局限,快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù),廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、斷面和體積測量等領(lǐng)域,具有一些優(yōu)勢,包括無須合作目標(biāo)、精度較高、密度較高、效率較高以及全數(shù)字特征等。

三維激光掃描技術(shù)能夠真實描述掃描對象的整體結(jié)構(gòu),以及形態(tài)特性,能夠迅速準(zhǔn)確的生成三維數(shù)據(jù)模型,防止基于點數(shù)據(jù)的分析方法導(dǎo)致的片面性。把三維激光掃描技術(shù)和控制策略相互結(jié)合在一起,能夠得到掃描目標(biāo)的坐標(biāo)。三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢,使得其在工程建設(shè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,還具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

在西方發(fā)達(dá)國家核電站、化工廠、隧道、建筑物變形檢測等項目中,已經(jīng)大量采用三維激光掃描儀對現(xiàn)場進(jìn)行掃描,然后經(jīng)過后處理后得到三維幾何模型,再對所得模型進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)用[10]。而在國內(nèi),三維激光掃描主要是用在古建筑維修、文物保護(hù)等領(lǐng)域,在大型建筑物變形測量方面的應(yīng)用尚處于初級階段,不過隨著時間的推移,相信很快會發(fā)展起來。