三维激光扫描技术的城市建筑物三维重建研究

崔建新

摘要：随着社会的发展，我国数字城市建设的推进和实景三维中国项目的逐步实施及新型基础地理信息测绘的全面开展，三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术应用越来越广泛。三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术是现代数字化测绘技术中的重要技术，在不同领域有着广泛的应用。倾斜摄影测量技术是利用倾斜摄影仪获取地面高分辨率影像，再通过图像处理和三维重建软件生成三维模型，因其高分辨率、全覆盖性等优点，在大规模实景三维建设中得到广泛应用。近年来随着对实景模型精细程度要求的提高，三维激光扫描技术也逐渐被应用于建筑物三维模型的建设中。三维激光扫描技术利用激光测距原理，通过激光传感器对被测对象进行扫描，得到其三维点云数据，再通过数据处理和建模软件生成三维模型，具有高精度、无接触性等优点。

关键词：三维激光扫描技术；城市建筑物；三维重建

引言

随着测绘行业不断转型发展,一大批新的测绘技术在测绘行业中发展与应用。三维激光扫描技术作为新的测绘技术的重要组成部分,可在不与被观测物体有任何接触的情况下快速地采集得到地物的位置信息、细节信息、属性信息等。随着三维激光扫描技术的发展,其扫描搭载平台也不断丰富,目前,已有车载激光扫描、机载激光扫描、架站激光扫描等多平台激光扫描。不同平台的激光扫描适用于不同场景的数据采集,其中车载激光扫描一般用于城市道路三维测量,对于车辆无法进入的区域扫描难度大;机载激光扫描一般用于高精度DEM制作,但是由于扫描成本过高,一般很少用于实际生产项目中;相比于上述两种激光扫描平台,架站式激光扫描采集点云数据精度更高并且数据采集成本低,可进行大规模点云数据采集。

1　三维激光扫描技术原理

三维激光扫描系统由扫描仪、控制器以及存储中心构成。其中扫描仪由激光发射和接收装置、时间记录系统和可旋转的CCD相机、滤光镜等部分组成。三维激光扫描技术的工作原理是利用激光发射器将激光脉冲信号发射，信号接触到建筑物表面发生了发射现象，回波反射到系统接收器中，发射装置发射信号与接收装置在接收信号的时间差即为信息的传输时间[3]。根据激光测距原理，对建筑物上某一点P进行观测，激光脉冲在P点反射回接收装置，根据光的传播时间即可计算出P点到激光测距仪的距离，根据激光的横纵向测量角度，计算P点的三维坐标信息。三维激光扫描仪并不是直接获取被测物体三维坐标，而是通过记录激光的发射与反射时间以及激光的反射水平角与竖直角，计算物体表明的三维坐标。

2新型地形测绘

2.1控制测量

由于三维激光扫描点云数据为三维数据,因此,不仅需要进行平面控制测量,同时也需要进行高程控制测量。其中平面控制测量手段为传统的GPS-RTK结合全站仪,高程控制测量手段为水准测量联测首级网高程点。测区布设的平高控制点应均匀地分布在测区的中间及边界位置,平面及高程精度均优于3cm,以保证采集的点云数据的数据空间位置精度。选择杭州市一个面积为10km2的区域为试验区进行新型地形测绘,试验区内分布有居民区、商业区以及工业区,建筑物较为密集。使用传统测绘方式进行新型地形测绘工作量巨大,地物三维信息采集困难,将三维激光扫描技术应用于试验区新型地形测绘中。首先利用GPSRTK技术进行试验区首级控制网布设,其次通过全站仪进行导线测量,将坐标引入居民区、商业区等因遮挡而信号不佳的地方,实现试验区的整体平面坐标控制;通过四等水准联测首级控制网高程点将高程坐标引入控制点中。

2.2三维激光扫描数据的获取

三维激光扫描仪选用的是LeicaP40，扫描采用的作业方式是无标靶，相邻两站之间保持10%的重叠率。扫描仪的扫描光线与建筑物的夹角小于40°，通过实地踏勘测区的环境，扫描基站应选择视野开阔的地方架设，架设40站，每站扫描6min。每站之间的距离控制在25m左右，扫描仪的分辨率设置为1/2；建筑物较密集的区域每站之间的距离设置为20m左右，扫描仪的分辨率设置为1/4。每站扫描结束后检查仪器扫描数据是否完整，若效果不满足数据要求则重新扫描此站。

2.3点云去噪

采集点云数据时会受到测量环境的影响，测量范围内的行人、车辆以及周边植被都会对采集产生影响，点云数据中会包含很多噪声点。噪声点不仅影响数据的处理速度，还对三维模型的精度造成影响，需要对点云数据进行处理，剔除噪声点。扫描时间段内周边的行人与车辆较少时，点云噪声点多为树木的枝丫以及空气中悬浮的尘土。对于数据量较多且肉眼能直接分辨的噪声点，直接选中删除即可；对于空气中尘土杂质，可通过数据处理软件中的“采样”功能剔除；剩余的噪声点为离散的、距离模型较近的，不适宜手工删除，因此可采用软件中的“去噪”功能剔除。

2.4立面图生成

建筑物的立面主要体现建筑物的侧面信息，包括建筑物的宽度和高度、门窗等结构以及表面的装饰造型等。采用点云数据进行建筑物的立面构建，精度依赖于点云精度。采集点云数据时，已将建筑侧面的纹理信息采集完成，因此可以更细致地表现建筑物的立面信息。点云数据的数量级很大，采用CAD处理极易出现卡顿现象，因此需要对点云数据进行分区处理，采用CAD绘制立面信息。立面的绘制方法主要有两种。根据生成的三维模型，提取立面的关键点和关键线，采用CAD软件根据关键点和关键线绘制立面图；通过点云模型采用平面投影的方法获得投影数据，然后进行立面图的绘制，该方法可降低冗余点云的影响，采集的效率较高。本文选用第二种方法进行立体面数据采集，结合点云数据和采集的像片数据，采用CAD进行数据采集。将点云数据导出格式设置为“.las”，将坐标系改为CGCS2000大地坐标系，定义坐标轴，导出数据。采用Recap将“.las”数据格式转换为“.rcp”。将点云数据通过“附着”功能进行加载，在CAD软件中将点云数据的坐标系与采集数据的视图方向调整一致，叠加点云数据的投影正射影像进行数据采集，并绘制图像。

2.5矢量数据编辑

基于点云数据的点、线、面要素提取完成后,对于部分因遮挡无法提取得到以及属性信息不确定的要素,需要进行外业补测、调绘,对外业补测、调绘数据与内业提取数据进行整合与编辑。数据编辑要遵循层次分明、主次有别的原则,对于地形图制作中常见的图层错误、拓扑错误、定位错误等进行全面仔细检查。新型地形测绘与常规地形测绘的关键区别之一就是属性信息丰富,新型地形测绘属性信息的获取主要有两个渠道:从有关部门收集已有资料；通过实地调绘。通过将两种渠道获取的属性信息添加至对应要素属性表中,最终完成地形图的制作。

结语

基于三维激光扫描技术对建筑物的立面进行测量，得出三维激光扫描技术能够对建筑物进行快速、高精度测量。基于三维激光扫描技术，结合全站仪的控制网布设，开展临街建筑物点云数据采集，详细介绍三维激光扫描仪测量建筑物立面的关键步骤，重点设计采用全站仪控制网布设方案，阐述数据采集特点及需要注意的事项，获取测量目标的点云数据。对获取的点云数据经过预处理、点云配准、点云去噪以及数据精简等步骤，获得精简后的点云数据，采用CAD绘制建筑物立面图，为城市建筑物立面测量提供参考。

参考文献

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