工程测绘点云数据的建筑测绘方法研究-以三维激光扫描技术为例

工程测绘点云数据的建筑测绘方法研究--以三维激光扫描技术为例摘要：三维激光扫描技术是一项全新的现代化测绘技术，相较于传统的测绘技术，它具有无法比拟的独特优势和不可替代的价值，它的出现推动建筑测绘技术不断的前行和进步。本文从三维激光扫描技术的基本构成、工作原理以及一般工作流程出发，再结合不同材质、水平角、测距对点云精度影响的分析结果，制定扫描方案，再以某建筑为例，获取大楼表面的点云数据，进行后续数据处理以及三维建模，并对相关的精度进行了分析。关键词：三维激光扫描技术；建筑立面测绘；点云数据引言在建筑测绘领域，基建筑点云数据，可以提供对点云进行量测，获取与实物1:1对应的尺寸、角度等资料；可以绘制出立面图，真实反映建筑物各部位的尺寸、外观，为城市建筑立面整治提供数据支持；还可以建立出建筑的三维模型，实现了从二维平面数据到三维空间数据的转变，为三维城市的建设提供技术保障。第二章三维激光扫描技术2.1三维激光扫描技术的工作原理三维激光扫描技术的工作原理是通过激光发射器发出脉冲激光信号，投射到目标表面发生漫反射，回波信号沿原路径返回，回波信号返回到仪器接收装置的时间与脉冲激光信号发射的时间之间的时间差即为传播时间，根据激光测距原理即可知扫描仪激光发射器到目标物上某点P与扫描仪的距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度和纵向扫描角度根据扫描仪进行三维坐标计算的原理计算出该点的三维坐标，公式如下：在获取三维坐标的同时，还能将反射强度一起同步记录，称之为“发射率”。通过结合相机还可以得到被测物体的RGB信息。这些元素构成了彩色的三维点数据称为“点云”，点云包含了目标物表面的三维信息、RGB信息、反射强度。2.2三维激光扫描技术的优点在建筑物测绘时，地面三维激光扫描技术具有传统建筑测绘技术所不具有独特优势：①非接触测量：利用传统的测量手段进行测量时，通常需要借助反射棱镜或者在被测物体表面做某些处理，而三维激光扫描技术不需要接触到物体即可确定物体的三维信息。②随时性。相对比于受天气影响较大的传统测量方式，三维激光扫描技术通过仪器主动发射激光信号，来进行测量，不受天气等其他因素影响，能够随时工作。③高效，细致。在数据的获取速度上，明显比传统测量获取的速度快，时间上更迅速。在快速的同时数据量方面也比传统的要详细，对于建筑物的细节方面有更加细致的数据和信息。建筑物点云数据的采集和处理3.1不同材质的精度分析采用RieglVZ-1000三维激光扫描仪，并设置分辨率为0.5毫米@10米，对每个反射面都做了5次的扫描。通过内部精度评价方法来评定四种不同反射面的点云精度。假设是某一平面的所有点急。设待求平面方程为：通过扫描所有点坐标解算平面方程系数a,b,c。可以将所有扫描下点组成矩阵形式。再通过对比得出四种反射面中精度最高的发射面，用最小二乘法的原理你和出来的最佳平面，通过MATLAB编程结算处点云数据拟合出来的平面方程系数，以及这组数据到该平面的距离的偏差。表面材质最终中误差（mm）偏差（mm）木板0.96纸板1.114铁板127水泥2.116表3.1不同材质偏差统计图3.2扫描距离精度分析由于扫描现场的限制，扫描仪距离建筑物的最大扫描距离为60m，因此采用LeicaTS06全站仪、RieglVZ-1000扫描仪分别对距离仪器大致为10m、20m、30m、40m、50m、60m的标靶进行扫描距离，将全站仪扫描获取的距离数值设为真值，扫描仪获取的距离数值设为比较值并保证标靶与仪器时刻处于同一水平线上。距离全站仪测距平均值（m）扫描仪测距平均值（m）误差（m）10m9.8648.6411.26320m19.36419.3640.00030m28.36428.6310.29840m29.36430.6121.24350m45.63147.3212.63160m56.36459.3643.000表3.2扫描距离精度分析综上所述，在60m的扫描距离范围内，扫描仪具有较高的精度，且扫码距离为30m的时候，扫描精度最高，根据测区实际情况，将扫描仪架设在距离建筑物20-30m处。3.3点云数据误差分析在利用三维激光扫描仪获取点云数据和进行数据处理的过程中，可能会因为仪器本身、人为、环境等因素产生误差，导致建立的模型不准确。系统本身构造误差：在数据获取时，由于仪器本身构造的原因，造成的扫描误差，或者是由于扫描仪零件的在制作不当、扫描仪器未进行校等因素，引起的误差，叫做系统误差。（2）测量误差：扫描系统最终所形成的数据产品，它的精度是否满足实际的应用所要求达到的标准，主要取决于点云数据的精度和模型化的精度。模型化精度是指从目标表面所提取的几何模型的精度，其主要取决于激光脚点光斑的大小和采样间隔的大小。（3）目标物反射面倾斜的影响：激光扫描测距是通过第一次获得的反射时间来计算的，反射时间与扫描的目标物表面法线与入射激光的夹角有关。（4）外界环境条件的影响：湿度大小、风力强弱等外界因素对数据的影响。因此在进行三维激光扫描数据采集是要选择一个适宜的环境，从而来减小由于外界环境造成的误差。总结三维激光扫描技术是一种科学技术应用于生产的测绘技术手段，该技术用于建筑领域具有划时代意义，同时也可以看作是21世纪建筑行业的一次伟大变革。本文从三维激光扫描技术的基本构成、工作原理以及一般工作流程出发，再结合不同材质、水平角、测距对点云精度影响的分析结果，制定扫描方案，通过实验对不同的反射面、不同的扫描距离、不同的水平角行扫描，研究分析了三维激光扫描仪在不同材质、水平角、测距对点云精度的影响因素，以此验证将扫描仪应用于实际案例中的可行性及其优势。。参考文献[1]曹海春,张娟.基于地面LiDAR点云数据的建筑物立面测绘方法研究[J].经纬天地,2021.[2]邓一,邱淑豪,张恺,等.基于非接触测量