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摘要：三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
关键词：建筑 测绘 三维激光 扫描
一、工作原理：
三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。[1]
应用扫描技术来测量工件的尺寸及形状等原理来工作。主要应用于逆向工程，负责曲面抄数，工件三维测量，针对现有三维实物（样品或模型）在没有技术文档的情况下，可快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。
二、地面三维激光扫描技术
现代测绘方法中用的较多的是近景摄影测量,其在古建筑测绘方面的运用已有较长历史。它是摄影测量的一个分支,在近距离(一般指300m以内)拍摄目标图像,经过加工处理,确定目标大小、形状和几何位置的技术,主要用于古建筑和文物立面图、平面图、等值线图、影像图的测绘,以及古建筑物主要结构数据的测定。与传统的建筑测绘方法相比,近景摄影测量的优点是运用摄影测量的原理获得建筑物的测量数据,无需与建筑物直接接触,可以减少对古建筑的伤害,保持建筑物的自然状态。由于它是在严谨的理论和现代的软硬件下进行的测量方法,有明确的精度指标,但是此方法工序复杂,技术含量较高,需要专用的量测相机与专业的技术人员。测量时容易受现场客观条件的限制,如天气、树木遮挡等,后续处理方式较死板,无法灵活获取建筑物的细部。随着激光技术的快速发展,三维激光扫描技术以其快速、精确、多方位等特点广泛运用于各个领域,如医学临床诊断治疗、机器人三维可视化、快速建立城
市模型、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测、工业模具设计和制造等,也为古建筑测绘提供了革命性的新途径。该方法是基于逆向工程的原理,利用三维激光扫描仪获取建筑物的点云图像,重建建筑物的三维立体模型。由于可以将点云数据的坐标通过控制点转换到相应的建筑坐标系中,因此模型的每一个点都有规定坐标系下的真实坐标,可以直接对模型进行测绘,从而避免与建筑物直接接触,最大程度地减少了对建筑物造成的损害。相比上面两种方法,其在速度、精度、数据处理等方面具有很大的优势。
（1）建筑物特征线的提取
描述建筑物形状的参数主要是建筑物的特征面、特征点及特征线,而特征线是联系其它两个参数的纽带,特征点可以由特征线相交得到,特征面可以由特征线共面来定义。特征线一般包括建筑物的边界线、轮廓线、阶梯线、屋脊线等等。
PolyW0rkS数据处理软件的IMInspect模块具有自动提取三维模型特征线的功能,如建筑物上突出部分的边缘线、台阶状的边缘线等等。图1是对凉亭顶部筒瓦的提取效果,图2是对凉亭台阶边缘线的提取效果。图1筒瓦的特征线提取,图2台阶状边缘线提取.软件的自动提取功能快速、方便,但是如果模型的线性特征不明显,自动提取往往会失败,这时就需要手动干预进行提取。
建筑物轮廓线的提取
建筑物的立面图或俯视图都需将建筑物正投影于某个平面,绘制出建筑物的外轮廓及内部细节,用以表示建筑的造型特点,表明装饰要求。对三维立体模型进行正投影后,由于建筑物的外轮廓是二维平面的,而软件的自动提取功能是基于三维立体模型表面进行的,因此无法通过软件自动获得建筑物的外轮廓线。这里有两种方法来解决,一种是手动进行描绘,另一种是将点云数据投影到相应平面上,然后采用相关算法直接在AutoCAD中自动生成建筑物的外轮廓线。
图1 对凉亭顶部筒瓦的提取效果
图2台阶状边缘线提取
（2）手动提取轮廓线
在Polyworks中打开IMInspeCt模块,导入生成的三角网格化模型,先对其正射显示,然后再正视显示,这时即可在正射模型上依照建筑物的外部特征描绘出建筑物的外轮廓线(如图3所示)。
图3 在正射模型上手动描绘外轮廓线
在描绘建筑物外轮廓前需要先对建筑物的外貌有一定的了解,这样在描绘时才能对建筑物立面图或俯视图所需要的特征点进行准确的选取,以保证图件的精度。对于表面轮廓较复杂的建筑物,描绘外轮廓时可根据需要把模型平移、放大,切忌不能随便进行旋转操作,不然很难精确描绘出其复杂的外轮廓。描绘完建筑物的外轮廓后将其按.dxf的格式导出。图4为凉亭俯视时顶部外轮廓线手动提取的结果。
（3）自动提取轮廓线
将建筑物的点云数据投影到某一个平面上,使得三维立体模型变为二维平面图形,即将问题转变为提取平面散乱点云的边界线,这样只需考虑两个坐标,不必对整个三维模型进行处理,使问题得到简化。
对于平面散乱点云的处理方法比较常用的有网格划分法与经纬线扫描法。前一种方法的特点是边界点的数量多,信息量大,方法规范,实用性强;而后一种方法虽然简单,但是如果点云数量超过十万,处理起来速度就非常慢。由于采集的建筑物点云数据一般都比较密集,几十万,甚至上百万,因此本文采用网格划分法来提取外轮廓线。
图4手动提取凉亭顶部外轮廓线
网格划分法的原理为:首先求得平面点集的最小包围盒,然后用给定间隔的矩形网格分割此包围盒;之后按某种规则寻找边界网格,并将相邻的边界网格连接起来形成边界网格链,通常称粗边界;最后根据某种规则判断粗边界内的点是否为边界点,勾画出初始边界线,对初始边界线再作进一步处理后,得到光滑边界。下面为此方法的主要步骤:
(l)网格划分
假设将三维点云投影在xy平面,遍历平面内所有数据点,求得xmax、xmi。、ymax、ymi。,来构成点集的最小包围盒。然后设定单位网格的边长,将最小包围盒分割成mxn个矩形网格。矩形网格的网孔按是否有点云数据投影在其中分为两类:一类为实孔,即包含数据点;另一类为虚孔,即没有数据点落在里面。
(2)判断是否为边界网孔
边界网孔只是粗略地描述边界形状,帮助理解图形的大致轮廓,可以形象地称之为“粗边界”,要得到精确的边界曲线还需进一步处理。判断是否为边界网孔的原则如下:除了网格的边界外,每个网孔都有上下左右4个相邻的网孔。若当前网孔为虚孔,则其必不是边界网孔;而对于实孔,若其4个相邻网孔中至少有一个为虚孔(如图4一5所示的三种类型),或者其相邻网孔少于4个时,则认为它是边界网孔。边界网孔的四条边也有两种类型,一种为实边,即边的两侧均为实孔,另一种为空边,即只有一侧为实孔。
(3)边界线提取
相邻边界网孔连接起来形成多个封闭的环,每个环可以看作一条边界,称为网孔边界。每个边界网孔包含了图形的边界线点,网孔边界包含了所有边界点,将各个边界网孔中的边界点连接起来就是所求的边界线。网孔边界仅仅是由网孔组成的边界,它只是粗略地勾画出点集的大体形状轮廓。每个边界网孔要细化提取一段边界线,来代替所在边界网孔中的空边。根据边界网孔的类型,这里分三种情况来对网孔内的散乱点集作最小凸包。
结束语：从外形上看,两种方法提取的结果均能真实反映实体的外部轮廓,没有什么差别,但是在细节处,手动提取出的轮廓线更加细致,更加光滑,而自动提取的结果比较生硬,有些细节可能被忽略。自动提取是计算机依据一定算法对数据进行计算判断,对所有情况都采取统一化的处理,而人工手动则会根据具体的情况分别处理,最终出来的效果与真实物体更加匹配。只是手动比较费时费力,对操作人员也有要求,需要耐心、细心,同时对建筑物的外貌也要有一定的了解,如果对提取结果的精度要求不是很高,采用自动提取的方法可以减少大量的时间与人力,提高工作的效率。两者各有所长,在实际工作中可以结合起来,根据情况采用合适的方法进行提取。
参考文献：
[1]孙德鸿，王占超．三维激光扫描技术在地形地质研究中的应用(一)[J].测绘通报，2011(3):88- 89．
[2]王峰，陈焕然，程效军．基于地面激光扫描仪的建筑数字化方法[J].测绘通报，2011(6):39- 42．
[3]官兰云．地面三维激光扫描数据处理中的若干问题研究[ D]. 上海: 同济大学，2008．
[4]卢秀山，郑作亚，王冬，等．3Dsurs 系统激光扫描点的理论精度评定[J].测绘学报，2010，39(2): 202- 206．
论文作者:周艳国
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/12/1
标签：建筑物论文; 边界论文; 外轮论文; 网孔论文; 激光论文; 网格论文; 模型论文; 《基层建设》2016年18期论文;