基于三维激光扫描技术的建筑物建模研究

摘 要：随着社会的发展和科学技术的进步，三维激光扫描技术成为了目前测绘地理信息领域的一个研究热点。本文通过利用地面三维激光扫描系统进行外业数据的采集，然后通过噪声去除、数据拼接、提取特征线等一系列的方法对数据进行处理研究，最终通过建立被测建筑物的线框模型，利用Geomagic studio软件完成了三维模型的创建，对数字建筑物的实现途径进行了探索。

关键词：三维激光扫描仪；点云数据；建筑物建模；特征线

0 前言

地面三维激光扫描技术，也称为“实景复制”技术。这项技术出现于上个世纪九十年代中期，被誉为是“继GPS技术以后的有一次测绘技术的革命”。目前，国外对三维激光扫描测量技术的研究和开发已经有了相当不错的成绩，像加拿大、美国、日本等多家高科技公司都已经研发出了自己的代表产品并且技术成熟，效果良好。已经被广泛应用于各行各业，产业规模正不断扩大。国内对于三维激光扫描重建技术起步比较晚，但是也在部分领域取得一定的成果。本文以建筑物为对象，以faro三维激光扫描仪为实验设备，进行原始数据的外业采集，内业处理和校园建筑物建模方法研究，对数字建筑物的实现途径进行探索。

1 技术原理

三维激光扫描仪是一种新型的三维激光坐标测量仪器，它集成了许多高新技术于一身，利用激光的高速性和非接触性的特性，采集地物表面以阵列形式表达的几何图形的三维数据。三维激光扫描仪主要是由激光测距系统、激光扫描系统、支架系统等但三部分组成的。此外有的可能还集成有内部校正和CCD数字摄影系统。

由于现在的激光测距系统有多种，所以其工作原理也不尽相同。所以这里我选取其中比较有代表性的也是在实际应用中比较常见的基于脉冲式测距原理的地面三维激光扫描仪，其工作原理为：由激光发射器向扫描目标主动发射激光，并由接收透镜回收来自目标物表面的反射信号。然后使用时间计数器对激光发射时间与回收时间的时间差进行计数，得到扫描仪和扫描点的距离S；精密时钟控制編码器同步测量每个激光脉冲的横向扫描角度的观测值和纵向扫描角度的观测值。根据以上获得的距离和角度值可以通过计算得出每个扫描点相对于观测站点的空间相对坐标，如图1所示。图中，坐标原点O是测站点，X轴为横向扫描方向，Z轴为纵向扫描方向，Y轴垂直于X轴和Z轴构成的平面。

2 建筑物建模实现

建筑物建模实现流程基本需要三个环节，第一是扫描工作方案的制定，第二是采集所需要的外业数据，第三是将采集到的外业数据进行内业处理然后建立模型。

首先要先选定测量目标，然后根据测量目标来制定相符合的测量扫描方案。为了科学的严谨性最好是进行实地踏勘，观察一下目标物周围的环境，选出一条合适的测量路线。计算出所需要的测站数量和标靶数量，并在相应的测站位置和标靶位置做好标记，方便下一步进行测量。

要想保证外业数据采集的准确性和合理性，首先要确定合理的扫描范围。扫描范围过大有可能将无关的噪声数据包含进去，扫描范围过小又会导致采集的数据点不够。所以一定要确定一个合理的待测范围，可以利用三维激光扫描仪照准装置中的粗瞄准器大致的确定目标建筑物的最大对角线范围，即可确定为待测范围。其次就是要根据待测区域的实际环境状况、待测物体的复杂程度和实际应用需求来确定合适的采样密度和扫描距离。待这些仪器的相关参数设置完毕后，即可开始采集数据了。

内业数据处理就是使用相关的软件对外业采集的数据进行一系列的处理修改的复杂过程。这个过程一般包括噪声去除、数据配准及拼接和数据消冗等必要环节，缺一不可。

2.1噪声去除。因为现实环境的复杂性，在实地测量的过程中难免会受到各种自然因素和人为因素的影响，所以所测得的点云数据中不可避免的会包含一些没有用的噪声数据。要想得到高质量高精度的三维建模，就必须进行去噪处理，从而降低或者消除噪声的不良影响。

2.2数据配准及拼接。由于扫描物体的外观形状的不规则性和周围环境的多样性，比如建筑物的不完整或者周围建筑物和植物的遮挡，这就导致在测量过程中往往需要从多种角度多个测站点进行作业。数据配准拼接就是将测得的多种坐标系下的数据进行坐标转换成同一坐标系中，将各个站点扫描的点云数据拼接成一个数据文件。

2.3数据消冗。在完成将各个测站点获得的点云数据拼接后，在扫描重叠区域的重复采样点时会发现生成很多重复无用的数据，这就是数据的冗余问题。为了不影响建模的质量，就要消除这些冗余数据。

3 总结

地面三维激光扫描仪改变了传统的单点采集数据的测量方式，它可以密集连续的获取数据，提高了数据采集的速度和准确度。本文阐述了三维激光扫描系统的工作原理和流程，在此基础上对建筑物建模的实现流程进行了研究，并对噪声去除，数据拼接等环节进行了解释，完成了建模。初步试验表明，三维激光扫描系统可以快速高质量的建筑物建模的三维建模，是实现数字城市的途径之一。

参考文献

[1]臧克.基于Riegl三维激光扫描仪扫描数据的初步研究[J].2007（1）：77-82.

[2]冯建军.三维激光扫描仪在地形测量中的运用[J].2015（9）：321.

[3]王召文.激光三维扫描技术在既有建筑测量中的应用[J].2014（16）：217-218.

作者简介：

张磊（1983-），研究方向：地理信息技术、环保相关