三维激光扫描测量技术的发展与应用

三维激光扫描测量技术的发展与应用

一、维激光扫描测量技术3d激光扫描技术是20世纪90年代中期开始的一项高科技工程。这是gps之后的另一项新技术。激光扫描测量技术逐步由点对点的激光扫描测量装置发展到采用非接触主动测量方式快速获取物体表面采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量装置。三维激光扫描测量技术的出现和发展,克服了传统建筑测量的局限性,它不再是只量取建筑物的长宽高的测量模式,而是能够对立体实物进行无接触扫描,同时将立体世界的信息快速转换成计算机可以处理的数据的全新测量方法,解决了建筑数据人为采集时所带来的不必要损失。它具有快速、无接触、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等优点,不但可以极大地降低成本,节约时间,而且使用方便,其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。它通过高速激光扫描测量方法,以点云形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据,可以快速、大量地采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供一种全新的技术手段。二、建筑的三维模型重建1.点云模型建筑物的点云模型就是利用三维激光扫描技术对建筑物进行全方位的扫描,从而得到由三维点云构成的建筑物表面模型。(1)控制测量网的布设为了更精确地获得建筑物的三维数据,首先要在待测建筑物周围布设测量控制网(如图1所示),控制测量工作必须遵循“先整体后局部,先控制后碎部”的原则,而控制网的布设又分为平面控制网和高程控制网两部分。控制测量是建筑物数据采集的前提,通过控制测量把整个建筑物放置在一个测量控制网内,这样可以把后期采集的数据组成完整的建筑物模型。(2)建筑物不同视线的点云模型用三维激光扫描仪对建筑物进行全面扫描,得到建筑物不同视点的三维点云模型,为了更精确地表示建筑物,要对每一个视点的建筑物数据进行整理,以便去除不感兴趣的数据(草、车流等等)。(3)立体点云图要得到建筑物全面的立体点云模型,还要把不同视点之间的数据根据测量控制网进行配准,从而形成待研究物体的全方位的立体点云图。地面三维激光数据配准精度较好、方便可靠的方法是利用特征配准的方法,特别是利用控制点配准的方法,当然完成一个工程的数据配准,不是单独哪一种配准方法能够完成的,需要多种配种方法配合使用,有时还要对现有的配准方法加以改进才能使配准效果达到最好。2.三角网模型(1)构建建筑物表面三角网模型三维激光扫描仪所得到的点云模型,是由空间不规则离散点构成的,这些点云之间并没有构成建筑物的实际表面,所以要得到建筑物有拓扑关系的真实表面,还要通过特殊的算法来恢复建筑物表面的这种拓扑关系,构建建筑物表面三角网模型就是其中一种比较简单而实用的方法。(2)角网模型数据冗余由于三维激光所采集的数据是数以万计的三维离散点,所以在进行三角网建模时,就难免会产生数据冗余,例如一个平面P在正常情况下,可以由两个三角网构成,但是由于点云过于密集,所以生成的三角网往往会远远多于两个,这样就无疑造成了数据冗余,所以在构建三角网之后还要对建筑物的三角网模型进行数据简化。(3)建筑物表面特征在三维激光扫描仪采集建筑物的表面点云时,由于树木遮挡、扫描距离等多方面的影响,致使采集的数据不是很完整,造成在建筑物表面存在一些数据空洞,在构建三角网模型时,这些数据丢失的地方无法构建三角网模型,要根据建筑物的表面特征来进行数据补充,最终形成较为完整的建筑物三角网模型。3.表现建筑物与三角网模型的区别实体模型也是基于建筑物点云模型构建的,实体模型和三角网模型一样也是建筑物模型的一种形式,但是二者有很大区别:三角网模型表现建筑物更精细、准确,但是数据量较大;实体模型表现建筑物没有三角网模型精细,但是数据量很小。所以构建一个建筑物模型时,为了更精确地表现建筑物,可以把二者结合起来,建筑物复杂的地方(如斗拱、藻井)可以构建三角网,比较简单、规则的地方(如墙)可以构建实体模型。构建建筑物的实体模型具体方法如下所述。(1)分离时的建模方法大型建筑物都比较复杂,对建筑物的整体构件进行识别并全部建模到现在为止还没有被解决,所以在进行建模时,要把建筑物的每一个构建进行分离,分离时可分为规则的建筑物构件和不规则的建筑物构件。规则建筑物构件的建模方法有很多种,例如线性回归和分段线性拟合等;不规则建筑物构件的建模要复杂很多,主要是曲面特征点和特征线的提取,然后再利用扫掠、旋转、放样的方法构建模型。对于需要保留现状或者使用上述方法较难建模的建筑物构件,笔者建议构建三角网模型,因为三角网模型损失的精度最少,能保留住建筑物原始面貌。(2)整体测量控制测量利用上述方法把建筑物的每一个构件建模完成后,可以把这些构件放到同一个文件里,由于之前进行了整体测量控制,所以这些构件都有整体的坐标系,只要把它们放到一起就会组成一个完整的建筑物。但是由于各个构件是分开建模的,所以各个构件之间会有大大小小的缝隙和交叉,这时要对各个构件之间的误差加以修正,最终形成一个完整的建筑物实体模型(如图2所示)。三、建筑三维模型的分析1.传统测绘方法、测量智能分析方法到现代测绘的改造中华民族拥有五千年的历史文化,同时历史也给中华大地留下了数不胜数的历史古迹,在历史古迹保护课题中,除了需要通过文献收集来研究其历史沿革、发展轨迹、价值评定以外,最终要对这些古建筑物进行详尽和全面的空间信息采集和记录,以便将来对其进行更深一步的研究。但是传统的古建筑测绘是采用大量的人力,在建筑物周围搭建大量的脚手架,用皮尺和竹竿来测量每个建筑物的构件,这种方法从测量到绘制成图的过程中采用了“法式测绘”,漏掉了大量的建筑物现状信息,同时对古建筑物实行的接触式测量极有可能对现存的古建筑物构成不必要的损坏。采用三维激光技术测量古建筑,不但可以对建筑物采取无接触式测量,保障了古建筑物的绝对安全,而且还可以最大限度地保留建筑物的原始信息(如图3所示)。2.建筑物测量方法基于三维激光技术的古建筑物数据是和古建筑物现状保持一致的,所以可以对建筑物进行定期的测量,通过数据对比,可以对建筑物进行整体的和单点的变形分析,为古建筑物维修和现代建筑的工程施工提供有力的保证。3.以多点测绘为核心的数字城市基本以大型建筑建模为核心的数字城市建设手段地面三维激光扫描技术的出现使原来的单点测绘拓展为多点测绘,为城市建筑物的建模提供了一种全新的方法,将成为数字城市建设中一种最现代的技术手段(如图4所示)。四、传统测绘、古难度测量、古难证号测量、古地理的建筑测量和设计地面三维激光扫描技术的出现为建筑物建模提供了一种崭新的原始数据(点云数据),从而使建筑物建模有了一种全新的方法。但是三维激光技术也不能完全代替传统的古建筑测绘技术,特别