广州市城市规划勘测设计研究院 510060
摘要：本文为了探究三维激光扫描技术在工程方面中的应用，研究了三维激光扫描的数据采集及处理流程，并以广州中山纪念堂为例，通过扫描数据处理结果的展示，验证了三维激光扫描技术在古建筑场景还原中的应用价值。
关键词：三维激光扫描；点云；数据处理；应用研究
0 引言
目前有许多古建筑、雕塑、工厂管道系统、制造工业构建等建构筑物，其形状怪异、相互交错、结构复杂，往往需要用大批高精度的表面点来建立其精确的三维数字表面模型，以对它们进行保护、研究和资料存档。
地面三维激光扫描仪集成摄影测量的优点（快速获取大批点坐标、色彩信息丰富）和经纬仪前方交会的优点（原理简单，设站灵活、精度均匀）。它能在给定测量范围内，以高速扫描的方式发射激光束，激光束接触物体表面后，通过漫反射被仪器接收并测量得到距离值、反射强度和色彩信息，与此同时，通过仪器内部的水平角传感器和垂直角传感器测量出激光束的水平角和垂直角。由此就可以快速、高密度、高精度地测量大批点的三维坐标、反射强度和色彩信息，即点云数据。通过点云数据可以精准地拟合被测物体的表面形状[1]。
由于这项新技术非常适合于复杂表面快速、精确的测量。自问世以来，国内外近几年来非常重视地面三维激光扫描技术在测绘中的应用研究，结合很多工程，将该技术试验性地应用到这些工程中，取得很好的成果。徐进军，王海城等对滑坡地表变形应用扫描技术，获取滑坡体的大量细节变化监测滑坡变形，将扫描点云中球体类、圆形面采用拟合法，该类监测点人工布设[2]；史玉峰，张俊等 2013 年对隧道点云采用基于几何特征点的 ICP 算法拼接，经过点云去噪、简化建立隧道的三维模型[3]。
1 地面三维激光扫描工程应用
地面三维激光扫描仪经过近几年的发展，已经大量投放到市场。各类仪器在测程范围（1m～1000m）、测距精度（0.4mm～20mm）、测量速度（1000点/秒～62500点/秒）、测量采样密度、仪器价格等都存在一定的区别。由于三维激光扫描仪可大面积、高密度地采集空间三维数据，目前在以下的领域已经得到广泛地应用[4]：
（1）地面景观形体测量：为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。
（2）复杂工业设备的测量与建模：很多工厂管线林立，纵横交错，形状各异，用摄影测量方法难以找到同名点，效率低下，其他传统的方法更是无能为力。如果利用激光扫描仪进行分段扫描，获得在各站上复杂工业设备的三维点云数据，再将不同站上的点云数据通过数据预处理以及粗差剔除、利用公共点进行拼接、合并和应用相应的软件就可以生成这些复杂工业设备的模型，为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型参考，极大提高了工作效率。
（3）建筑与文物保护：传统建筑文物测量保护是以摄影测量为主，但现在更愿意用激光扫描仪来完成。这样做成的电子文献，易于保存，能详细了解表面，随时方便地得到等值线、断面、剖面等，当建筑和文物遭到破坏后能及时而准确地修复数据。
（4）土木工程测量：测量隧道、桥梁、大坝的现状，确定现状与设计的差别，从而指导开挖和设计。
（5）地形测图测量和矿山测量：在地形测量方面，主要用于危险性大、人员难以攀爬的陡峭坡面的地形图测量；矿山测量主要用于确定塌陷地形、塌陷规模、矿产体积等内容。
（6）变形监测：传统的变形测量方式（GPS/全站仪+棱镜测量/近景摄影测量等）进行变形监测时，需要在变形体上布设监测点，利用这些点前后两期测量的坐标之差获得变形量，这种测量方式精度很高（一般可以到毫米级），但是点数有限。从有限的点数所得到的信息也有限，不足以完全体现整个变形体的实际情况，而地面激光扫描仪可以以均匀的精度高密度地测量，测量的数据可以获得更多的信息，特别是局部详细变形信息。
2 三维激光扫描数据处理流程
2.1点云数据去噪
由于扫描过程中外界环境因素会对点云扫描造成遮挡，加上仪器内部存在的系统误差，以及扫描物体本身的反射率的影响，扫描点云数据会存在粗差，即点位的偏移造成的误差点。这种现象普遍的存在于三维激光工程应用扫描产品中，粗差点的存在会对后期点云产品的质量造成影响，因此需要对粗差点云进行剔除，即点云的去噪处理[4]。
对于城市建筑物扫描点云数据，主流的去噪方法主要为基于距离的去噪方法，具体操作步骤如下：
•首先是将采集到的点云三维数据，作为原始输入数据，对点云数据构建kd-tree空间索引后，根据K邻域建立起点云局部邻域。
•计算领域范围内所有的k邻近的点到该邻域重心的平均距离，作为距离中值，再计算该邻域范围内单个点云的距离值与中值的偏差，设定一个距离阈值，当偏差值大于距离阈值时，则将该点作为粗差点进行剔除，实验中距离阈值的选择由扫描系统分辨率决定。
2.2点云法矢信息
图1 三维激光扫描仪数据采集工作流程
2.3点云配准
有靶标配准：当一个测站的扫描数据不能反映被测物体的全部时，需要多站测量，这就需要站间设立一些公共点以实现不同站之间扫描数据的拼接，统一到同一个坐标系统中[7]。公共点多采用3-4个球形体。通过对球的扫描测量数据拟合出球心坐标作为球的位置。球形还可以保证从不同角度扫描测量时都能准确获得球心坐标。如果要转换到给定的坐标系中，可以利用3-4个特殊的平面标志，用全站仪和扫描仪同时测量，通过软件实现自动转换。
无靶标配准：在某些特殊情况下，由于测量条件的限制，我们无法安置足够多的靶标作为配准拼接，因此需要采用无标靶配准法矢对采集的多站点云进行坐标统一。目前主流的无靶标配准方法主要有ICP算法，ICP算法通过找到两片具有足够重叠度的点云之间同名点的点集，寻找同名匹配点的联系，通过迭代的方式找到使配准点之间距离平方和最小的转换因子，从而建立多站点云的坐标转换关系[8]。
3 工程应用实例
本文将三维激光扫描技术应用于工程实例中，以位于广东省广州市越秀区东风中路的广州中山纪念堂为例，探讨三维激光扫描技术在文物测量、古建筑测量中的应用。本文采用Trimble Mensi GS200地面三维激光扫描仪对目标建筑物进行扫描。三维激光扫描仪数据采集工作流程如下：
场景一为中山纪念堂正前方的孙中山纪念雕像，该处扫描场景设置3个测站进行无标靶配准实验，通过手动选点的方式选取粗配准点，再通过ICP算法对各个测站点云数据进行精配准，最后统一坐标系，完成点云数据拼接，扫描数据处理结果如图2所示。
图2 孙中山纪念雕像场景点云数据
由图2可以观察到，通过三维激光扫描仪采集的数据还原了场景中的主要结构，包括周围行树、雕像围栏等，同时保留了点云丰富的RGB色彩信息，较为真实的还原了孙中山纪念雕像场景。
场景二为中山纪念堂的外部建筑结构，该处扫描通过设置多个测站的方式，并在每个测站放置足够多的靶标球，保证相邻测站之间至少存在四个以上的公用标靶球，用于测站之间扫描数据的配准，采集结果如图3所示。
图3 中山纪念堂场景点云数据
由图3可以观察到，通过有靶标配准的方式，各个视角的点云数据很好的拼接在一起，真实的还原了古建筑物的外部结构。最后，通过外部控制网连接，将孙中山纪念雕像与中山纪念堂统一到外部坐标系中，建立局部古建筑物一张图，如图4所示，可以观察到通过三维激光扫描技术采集的建筑物数据真实还原场景比例，同时也够保留场景中丰富的细节，如图5所示为中山纪念堂正门牌坊细节展示。
图4 局部历史建筑一张图 图5 点云细节结构
场景三为中山纪念堂内部扫描结果，图6为纪念堂内部整个场景结构，可以观察到场景中各处细节都得到了很好的还原，说明了三维激光扫描仪在大场景扫描中的具有较好的场景表现能力。
图6 中山纪念堂内部场景还原
4 总结
随着三维激光扫描技术的发展，相应软硬件设施相继成熟，尤其在工程应用方面得到了广泛的推广。本文着眼于三维激光扫描技术在古建筑等具有丰富细节结构场景中的应用，以广州市中山纪念堂为例，探讨了点云数据处理流程，为利用该技术进行文物测量、古建筑测量以及变型监测等打下一个坚实的基础。
参考文献：
[1]杨必胜，梁福逊，黄荣刚.三维激光扫描点云数据处理研究进展、挑战与趋势[J].测绘学报，2017，46（10）：1509-1516.
[2]徐进军，王海城，罗喻真，王尚庆，严学清.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J].岩土力学，2010，31（07）：2188-2191+2196.
[3]史玉峰，张俊，张迎亚.基于地面三维激光扫描技术的隧道安全监测[J].东南大学学报（自然科学版），2013，43（S2）：246-249.
[4]郑炎兵，陈志扬.地面三维激光扫面仪的应用[C].//中南地区城市勘测改革发展暨学术研讨会论文集.广东广州市城市规划勘测设计研究院，2006：142-145.
[5]徐进军，余明辉，郑炎兵.地面三维激光扫面仪应用综述[J].工程勘察.2008.（12）：31-34.
[6]曹飞飞.点云滤波和特征描述技术研究[D].燕山大学，2014.
[7]马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉大学，2005.
[8]刘博源，陆明刚，阚文涛.激光扫描表面特征的点云数据处理方法[J].光学仪器，2016，01：41-44.
论文作者:郑炎兵
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/26
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