基于三維激光掃描技術(shù)的城市建筑物立面測繪數(shù)據(jù)采集方法

陳 偉

（福州市勘測院有限公司，福州 350108）

伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展與進步，我國建筑工程的建設(shè)類型越來越多，使得以往的建筑測繪方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求[1-2]。三維激光掃描技術(shù)通過應(yīng)用建筑物點云技術(shù)采集和處理建筑信息，從而得到建筑物的數(shù)字化立體特征[3]。采用特定的計算方法，對采集的數(shù)字化信息進行三維建模，可以完成城市建筑物的三維實景測繪。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用大大提高了建筑物測繪的效率，優(yōu)化了測繪的精準(zhǔn)度，為建筑工程行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文通過對三維激光掃描技術(shù)的分析與應(yīng)用，研究了一種城市建筑物立面測繪數(shù)據(jù)的采集方法，希望可以提高建筑物測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為建筑物的智能化測繪提供技術(shù)參考。

1 三維激光掃描技術(shù)作用機理

在三維激光掃描技術(shù)中，發(fā)揮最大作用的硬件設(shè)備是三維激光掃描儀，主要作用是獲取掃描對象的三維信息。這種掃描儀可以精準(zhǔn)掃描建筑對象的微小細節(jié)，主要功能特點如表1所示。

表1 三維激光掃描儀的主要功能特點表

基于表1掃描儀的主要功能特點，分析三維激光掃描技術(shù)的作用機理。在三維激光掃描儀的掃描過程中，根據(jù)特定的規(guī)律，從水平和豎直兩個方向全方位立體掃描建筑對象，具體的作用原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)作用機理

其中：α、β分別為激光掃描位置到激光中心點的水平夾角、豎直夾角；o為中心點。根據(jù)圖1的作用機理，可以計算激光掃描位置A的具體坐標(biāo)（Z1，Z2，Z3），計算表達式為

式中：η為三維激光掃描儀的掃描位置到激光中心點的斜距；Z1、Z2分別為掃描建筑位置的水平面兩個方向的坐標(biāo)點；Z3為掃描建筑位置的豎直方向的坐標(biāo)點。通過計算可以得到建筑物不同位置點的具體坐標(biāo)位置，從而為建筑的測繪提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 建筑測繪數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

2.1 點云數(shù)據(jù)的采集

應(yīng)用激光掃描技術(shù)采集建筑物立面的測繪數(shù)據(jù)。采集前，應(yīng)確定激光掃描儀的掃描位置，設(shè)計科學(xué)合理的掃描參數(shù)，以提高測繪數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。根據(jù)實際的建筑物特征，確定儀器架設(shè)位置，將三維掃描儀布設(shè)在該測量位置。掃描前，需要確定掃描的測距、測角精度、分辨率以及掃描模式等基本參數(shù)后，才能進行掃描測繪工作。在同一個位置掃描同一個建筑物，只能獲取到建筑物局部的信息特征。因此，需要不斷更換掃描位置，重復(fù)上述的掃描步驟，完成對城市建筑物立面數(shù)據(jù)節(jié)點的采集。應(yīng)用最小二乘法將采集的節(jié)點數(shù)據(jù)進行線性擬合，節(jié)點平面的計算表達式為

式中：z1、z2分別為數(shù)據(jù)節(jié)點在水平面內(nèi)的坐標(biāo)位置；i、j分別為z1、z2擬合直線的斜率；k為截距。

該表達式的矩陣狀態(tài)為

式中：z3為數(shù)據(jù)節(jié)點在豎直方向的坐標(biāo)位置。

引入擬合向量ω，代入式（3），得到數(shù)據(jù)信息節(jié)點的線性擬合計算表達式為

當(dāng)式（4）的計算結(jié)果取最小值時，即數(shù)據(jù)節(jié)點線性擬合的誤差最小法向量。根據(jù)以上計算可以設(shè)定建筑物初始的掃描位置，并獲得立面測繪數(shù)據(jù)點云信息，為后續(xù)的測繪工作奠定基礎(chǔ)。

2.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

初步獲取的建筑物立面測繪點云數(shù)據(jù)含有錯誤或者異常的數(shù)據(jù)點，會使建筑的整體測繪結(jié)果產(chǎn)生一定程度的誤差。因此，需要采用點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)算法對計算得到的建筑物測繪初始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除數(shù)據(jù)節(jié)點中的無效信息和異常信息。

應(yīng)用均值濾波的處理方法進行數(shù)據(jù)處理，計算表達式為

式中：ε為均值處理計算；e(z1,z2)為均值濾波的輸出結(jié)果；p(z1,z2)為以數(shù)據(jù)節(jié)點為中心的濾波窗口顯示的坐標(biāo)點；q(z1,z2)為數(shù)據(jù)節(jié)點坐標(biāo)的灰度值。通過計算先將建筑物測繪數(shù)據(jù)節(jié)點按照灰度值進行降序排列，再將均值作為輸出結(jié)果，找到輸出結(jié)果對應(yīng)中心的像素并匹配相應(yīng)的灰度值[4]。根據(jù)均值濾波處理方法，可去除點云數(shù)據(jù)的噪聲點并分散點云數(shù)據(jù)的密度，通過壓縮、精簡建筑物立面測繪點，確保后續(xù)建筑測繪工作的順利進行。在掃描建筑物測繪數(shù)據(jù)信息的過程中存在部分區(qū)域被一些不可抗的物體遮擋或者待測建筑物的體積過于龐大而超出掃描范圍的情況，因此在數(shù)據(jù)采集過程中建議以待測建筑物為中心點，布設(shè)多個不同的掃描點進行掃描[5]。為了對多個不同維度的坐標(biāo)位置進行調(diào)整，需要通過拼接技術(shù)完成坐標(biāo)位置的空間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的計算表達式為

式中：mr、nr分別為兩個維度需要進行拼接轉(zhuǎn)換的建筑物測繪數(shù)據(jù)點；B、D分別為空間轉(zhuǎn)換的平行位移轉(zhuǎn)換矩陣和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣。

采用極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法將兩個坐標(biāo)系的點云數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，轉(zhuǎn)換計算表達式為

式中：τ為待轉(zhuǎn)換坐標(biāo)到極點的距離；φ為待轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系與極軸之間在逆時針方向的角度差。根據(jù)式（7）的轉(zhuǎn)換計算，對不同坐標(biāo)位置的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合，完成點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作。通過計算可以去除點云數(shù)據(jù)的噪聲點，提高數(shù)據(jù)的精簡化程度，并進行數(shù)據(jù)的拼接、整合計算，還可以實現(xiàn)不同維度建筑物立面測繪數(shù)據(jù)的整合，得到精確的城市建筑物立面測繪數(shù)據(jù)集合，為后續(xù)的建筑物測繪工作奠定良好的基礎(chǔ)。

3 試驗與檢測

為檢測設(shè)計的基于三維激光掃描技術(shù)的城市建筑物立面測繪數(shù)據(jù)采集方法的可行性與穩(wěn)定性，設(shè)計點云配準(zhǔn)的誤差對比試驗。

3.1 試驗準(zhǔn)備

試驗的基本儀器為三維激光掃描儀，儀器的具體參數(shù)如表2所示。

表2 三維激光掃描儀的基本參數(shù)表

基于MeshLab系統(tǒng)搭建試驗平臺，將一臺Dell服務(wù)器接入以太網(wǎng)，簽訂傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），用于開發(fā)Python語言。系統(tǒng)的內(nèi)存為64 GB，運存為8 GB。在系統(tǒng)中接入點云數(shù)據(jù)庫（Point Cloud Library，PCL）作為測繪數(shù)據(jù)的存儲中心。采用Intel酷睿i71400HQ作為系統(tǒng)的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）端，64 bit操作系統(tǒng)，雙顯卡配置，主頻為2.6 GHz。在上述試驗平臺的基礎(chǔ)上，隨機選擇M城市某建筑物的6處標(biāo)準(zhǔn)、均勻的位置點作為試驗對象。

3.2 試驗結(jié)果與分析

應(yīng)用設(shè)計方法（試驗組）與傳統(tǒng)的測繪數(shù)據(jù)采集方法（對照組），利用三維激光掃描儀，通過試驗平臺的Scan Master軟件，對該建筑物進行測繪數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理。將配準(zhǔn)坐標(biāo)結(jié)果與實際的測繪數(shù)據(jù)坐標(biāo)進行差值計算，再將得到的結(jié)果用MATLAB程序進行繪制，分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 檢測點Z1方向的坐標(biāo)差值對比圖

圖3 檢測點Z2方向的坐標(biāo)差值對比圖

圖4 檢測點Z3方向的坐標(biāo)差值對比圖

由圖2、圖3和圖4可知，試驗組在3個方向上（Z1、Z2、Z3）與實際測量結(jié)果的坐標(biāo)差絕對值的均值分別為3.13 mm、3.05 mm、1.74 mm，比對照組的坐標(biāo)差絕對值的均值分別低4.65 mm、8.43 mm、9.84 mm，表明試驗組的數(shù)據(jù)結(jié)果更加貼近實際。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的基于三維激光掃描技術(shù)的城市建筑物立面測繪數(shù)據(jù)的采集方法具有準(zhǔn)確性與可行性，可為建筑工程的建筑數(shù)據(jù)測繪提供有效的技術(shù)支持，對建筑行業(yè)的發(fā)展具有一定的推動作用。

4 結(jié)語

我國的建筑工程朝著智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展，促使建筑施工開始越來越多地應(yīng)用智能化技術(shù)開展項目工程建設(shè)，提高了建筑效率，在一定程度上保障了建筑項目的質(zhì)量控制。因此，加強三維激光掃描技術(shù)的研究，提取精準(zhǔn)的建筑物測繪數(shù)據(jù)，能夠為后續(xù)的建模、建設(shè)工作奠定良好的基礎(chǔ)。