1上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2上海建筑工程工业化建造工程技术研究中心 上海 201114
摘要：针对三维激光扫描获取多测站点云数据的拼接工作，通常采用与扫描仪匹配的点云处理软件进行拼接后处理，但是这些后处理软件拼接过程中需要借助于标靶或人工完成，存在拼接耗时过长、精度不高等问题。基于站点矩阵坐标信息，通过多种软件交叉融合，提出了一种无需标靶的三维激光扫描快速拼接技术方法。以既有建筑改造工程为案例，对所提出的技术进行测试。结果表明，所提出的技术方法极大地缩短了后处理时间，快速拼接得到的三维高精度点云模型为改造工程的设计提供了直观可量测的蓝图。
关键词：三维激光扫描；快速拼接；既有建筑改造
1 引言
在既有建筑改造特别是老旧建筑改造项目中，采用三维激光扫描仪对改造前现场情况进行全景扫描并生成点云模型已成为项目前期现场数据采集的主要手段。然而在一些大型改造工程中，由于外业扫描站点数量较多，扫描数据的后期拼接处理非常耗时，从而影响了工程进度的正常推进。
目前扫描数据的后期拼接处理，通常是使用三维激光扫描仪自带的点云处理软件或通用型点云处理软件[1-7]，这些后处理软件主要优势在于点云去噪工具齐全，能够一键自动处理，且能够生成可量测的实景点云模型。但是这软件拼接过程中需要借助于标靶或人工完成，存在自动拼接准确率低，拼接过程耗时过长等问题。针对这些问题，一些学者进行了三维激光扫描多测站点云数据的拼接算法和技术研究[1-6]，为多测站三维扫描技术的商业化应用奠定了基础。
本文基于站点矩阵坐标信息，通过多种软件交叉融合，提出了一种无需标靶的三维激光扫描快速拼接技术方法，并在既有建筑改造工程进行了应用。该方法的主要优势在于无标靶扫描站点数据自动拼接用时短，拼接误差小，且能生成单个或多个高精度独立点云文件并可导出为通用格式数据文件。
2 快速拼接原理
三维激光扫描数据快速拼接的原理见图2，具体步骤如下：
（1）在Z+F LaserControl中导入项目外业扫描的整体工程点云数据或需要拼接的站点点云数据，对点云数据进行自动去噪点处理并手动去除各站点数据中的无关对象，如人体、车辆等。处理完成后保存点云数据并导出至JRC 3D Reconstructor。
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图2 快速拼接原理图
（2）在JRC 3D Reconstructor中导入Z+F LaserControl中处理完成的各站点点云数据，依次进行自动站点点云数据预处理（如重建法线等）、自动预拼接、自动精配准，从而完成各站点点云数据的正确拼接。
（3）将拼接正确的各站点矩阵坐标信息导出并保存为文本文件。
（4）将各站点点云数据合并成一个或多个带位置信息的独立点云数据文件，并导出为*.las、*.ply等通用数据格式供其他点云处理软件导入，如Autodesk Recap、Geomagic等。
（5）在Z+F LaserControl中把在步骤1中处理完的各站点数据中的矩阵坐标信息更新为步骤3中保存的相应矩阵坐标信息，完成Z+F LaserControl中各站点的正确拼接。选择需要的站点，导出自带Z+F LaserControl查看器的点云模型样例。
3 工程应用
3.1 工程背景
项目为某既有建筑改造工程，位于杭州胡庆余堂南侧，东起大井巷，西至管米山，主要对景区内已建陈旧民宅进行整体改造，旨在改造为现代、时尚、绿色化的高端民宿旅游项目。
3.2 工程应用内容
采用上述提出的三维激光扫描快速拼接技术，对改造项目中D片区内的老旧民宅及周围环境情况进行整体三维扫描，并进行快速拼接生成点云模型，同时导出*.rcp格式点云数据，为改造项目的深化设计提供高精度的三维数字模型。
3.3 工程应用方案
3.3.1 外业扫描设备
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图3-1 Z+F 5010 3D激光扫描仪
项目外业扫描采用德国Z+F公司生产的Z+F imager 5010 3D激光扫描仪，如图3-1所示。主要技术参数：最大扫描测速为101.6万点/s，测量范围为0.3~187.3m，扫描视角为320×360°，线性精度为1mm@50m。
3.3.2 内业数据处理软件
三维激光扫描点云数据处理软件采用Z+F LaserControl和JRC 3D Reconstructor，其功能和优点如下：
（1）Z+F LaserControl（版本：V 8.9.2.22191）
Z+F LaserControl是Z+F三维数字扫描仪自带的点云数据后处理软件，相对于其他点云处理软件有以下优势：1）点云数据预处理即去噪过滤功能强大，主要包含抽稀、无效点、距离、混淆像元、强度和单像元等多种过滤功能，而且可以一键式操作。2）对于拼接完成的项目，可以直接导出一个自带Z+F LaserControl查看器的点云模型，用户无须安装任何软件就可以查看这个点云模型并在上面进行导航和量测，这对给客户作关于点云质量和工程状况的报告是非常有用的。而这款软件的主要不足之处在于：1）上述的点云模型导出功能仅支持Z+F扫描仪的扫描数据格式，对其他格式的点云数据无效。2）在使用中发现，对于无标靶点云数据的拼接，特别是当扫描站点较多时，拼接准确率低，常常需要手动对各站点进行点对点拼接，因而耗费大量人力，大大增加了内业数据处理时间。
（2）JRC 3D Reconstructor（版本：V 3.3.1.694）
JRC 3D Reconstructor主要优势在于兼容Z+F扫描仪的数据格式，对于多站点无标靶点云数据能快速准确的进行自动拼接，拼接准确率高，拼接完成后基本不需要再做手动调整，拼接精度能达到毫米级水平。不足的是，拼接完成的数据不能直接导出可量测的点云模型，只能通过导出通用格式文件供其他点云处理软件使用。
3.4 工程应用实施
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图3-3 Z+F LaserControl操作界面
3.4.1外业站点扫描
如图3-2，根据改造项目D片区实际情况，外业扫描采用无标靶站点扫描方式。现场共架设15个扫描站点，扫描范围覆盖整个D片区。其中室外12个扫描站点（1-10，14，15），架设在民宅间的道路上。室内3个扫描站点（11.12.13），架设在项目现场办公室内。
3.4.2内业数据处理
（1）点云数据导入
启动Z+F LaserControl软件，在新建的工程中加载外业扫描站点点云数据（*.zfs文件）。如图3-3，左侧为三维视图，右下侧为二维视图，右上侧为站点位置视图。
（2）点云数据去噪处理
未经处理的外业扫描点云数据中含有无效的噪点，点云去噪处理就是利用蒙版工具对噪点进行过滤。点取“Preprocessing”预处理模块，选取添加的站点数据，点击“绿色漏斗状”图标（如图3-4）。在“Additional”对话框中勾选“Filter”下的所有过滤选项后进行一键式预处理（如图3-5）。
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图3-4 预处理操作界面
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图3-5 预处理过滤选项
（3）点云选择与移除
外业扫描过程中常常会扫描到一些与项目无关的对象，如路过的行人、车辆等，这些无关点云必须在数据后处理时移除。“3D体积选择”功能就可以通过选择3D数据并剪裁体积内或外部的点云来实现移除。在二维视图中选择要移除的对象，在三维视图中调整好3D选择立方体的大小及角度后，移除体积内的点云，被移除的内容在二维视图中会以着色的方式表示（如图3-6）。所有站点数据内的无关内容移除工作完成后，保存当前的工程并将各站点数据导出（如图3-7）。
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图3-7 导出站点数据
（4）多站点点云数据导入及自动预处理
启动JRC 3D Reconstructor软件，创建一个新工程。点击“导入点云”，选择并打开上一步骤中保存的站点数据。在“扫描处理向导”对话框中勾选“正在预处理”选项，点击“更多设置”按钮，在“排列工作区设置”对话框中点击“正在预处理”选项，在设备列表中选择好所使用的三维扫描仪型号，点击“处理”按钮，进行数据导入和自动预处理（如图3-8）。
（5）自动预拼接
在“配准”工具下拉菜单中点击“自动预配准”，在“自动预配准”对话框中设定参考扫描站和移动扫描站，勾选“假设垂直方向正确”选项，点击“预配准”按钮，开始扫描站点的自动预拼接（如图3-9）。
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图3-9 自动预配准设置
自动预配准过程中，需要对拼接结果进行逐对站点位置检查。在“自动预配准”对话框中点击“逐对检查对齐”按钮（图3-10），根据每次加载的两站点位置检查拼接是否正确。全部检查正确后，完成扫描站点的预拼接过程，此时全局平均拼接误差控制在分米级水平（图3-11）。
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图3-11 自动预配准拼接误差
（6）自动精准拼接
在“配准”工具下拉菜单中点击“光束法平差”，在“光束法平差”对话框中设定参考扫描站和移动扫描站，勾选“所有扫描站具有固定的垂直方向”选项，点击“开始”按钮进行自动精准拼接（如图3-12），处理完成后可以看到平均拼接误差控制在毫米级水平（如图3-13）。至此，15个扫描站点已正确拼接。
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图3-13 自动精配准拼接误差
（7）多站点矩阵坐标信息导出
在“工程窗口”中右键点选第一个站点文件，在菜单中依次点选“姿态&配准”、“姿态”，在“转换矩阵”对话框中点击“复制矩阵”按钮（如图3-14）。将复制的站点矩阵坐标信息粘贴到新建文本文件“站点1.txt”中并保存（图3-15），然后用同样的方法将各站点的拼接位置矩阵坐标信息保存到相应的文本文件中。
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图3-15 复制站点矩阵坐标
（8）多站点点云合并及导出
在“工程窗口”中右键点击勾选要合并的站点文件，在菜单中依次点选“点过滤&合并”、“生成单个点云”，在“单点云合并”对话框中勾选需要的输出色选项，点击“集成点云”按钮。处理完成后勾选的站点点云就被合成为单个无结构点云（如图3-16）。
在“工程窗口”中右键勾选已合成的单个点云文件，在菜单中依次点选“导出”、“导出模型为”，在“导出格式”对话框中选择(.las)格式，在“Export Las”对话框中勾选“Export position in current UCS”和“Reflectance”选项（如图3-17），点击“OK”按钮后导出文件。
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图3-17 文件导出选项
将导出的文件（.las格式）在Autodesk ReCap软件中转化成通用格式（.rcp）文件，可以为AutoCAD,Revit,Navisworks等软件提供高精度的点云模型参照。
（9）多站点点云矩阵坐标信息更新
回到Z+F LaserControl，右键点选工程窗口中的一个站点，点击“Register info”菜单，在“Register info scan position”对话框中点击“Read”按钮，选择步骤（7）中保存的包含矩阵坐标的相应站点文本文件，在“Translation /Rotation”对话框中选取“4x4 Matrix”项。在“Register info scan position”对话框中点击“Update”按钮，更新此站点的矩阵坐标位置信息（如图3-18）。用同样的方法将其余各站点的矩阵坐标位置信息更新后，也就同时完成了Z+F LaserControl中站点的精准拼接过程（图3-19）。
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图3-19 站点拼接完成
选择已拼接的站点，点击“Export project to go”菜单，在指定文件夹中导出自带查看器的点云模型。
4 应用效果
采用三维激光扫描快速拼接技术，无标靶站点点云数据拼接处理时间比采用常规方法缩短三分之二，大大提高了三维扫描内业数据处理的工作效率。同时，导出一个改造项目D片区高精度点云模型文件，格式为通用文件格式*.rcp（如图4-1），生成一个改造项目D片区的扫描点云模型，可根据扫描站点位置同时在二维和三维视图中进行查看和测量（如图4-2）。
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图4-2 可量测点云模型
5 结语
经过对多种点云处理软件交叉融合的研究和工程应用，提出一种无需标靶的三维激光扫描快速拼接技术方法，在既有建筑改造项目初期，通过采用此技术方法，有效解决了因现场现状资料采集工作耗费大量时间精力而影响项目工期的问题，保障了改造工程进度目标的顺利完成。同时又为项目的前期策划提供了准确直观的三维点云模型，为后续的深化设计提供了可参照的高精度点云模型数据。
参考文献
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基金项目：本文受1.住房和城乡建设部项目(2017-K8-066)、2.《建筑工程绿色化改造关键技术研究和持续化发展基地建设及其工程示范》（项目编号：2015009号）资助。
论文作者:陈东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/17
标签：站点论文; 数据论文; 如图论文; 矩阵论文; 激光论文; 模型论文; 坐标论文; 《建筑学研究前沿》2018年第25期论文;