三維激光掃描測量技術的發(fā)展與應用

三維激光掃描測量技術的發(fā)展與應用

一、維激光掃描測量技術3d激光掃描技術是20世紀90年代中期開始的一項高科技工程。這是gps之后的另一項新技術。激光掃描測量技術逐步由點對點的激光掃描測量裝置發(fā)展到采用非接觸主動測量方式快速獲取物體表面采樣點三維空間坐標的三維激光掃描測量裝置。三維激光掃描測量技術的出現(xiàn)和發(fā)展,克服了傳統(tǒng)建筑測量的局限性,它不再是只量取建筑物的長寬高的測量模式,而是能夠對立體實物進行無接觸掃描,同時將立體世界的信息快速轉換成計算機可以處理的數(shù)據(jù)的全新測量方法,解決了建筑數(shù)據(jù)人為采集時所帶來的不必要損失。它具有快速、無接觸、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等優(yōu)點,不但可以極大地降低成本,節(jié)約時間,而且使用方便,其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。它通過高速激光掃描測量方法,以點云形式獲取物體或地形表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù),可以快速、大量地采集空間點位信息,為快速建立物體的三維影像模型提供一種全新的技術手段。二、建筑的三維模型重建1.點云模型建筑物的點云模型就是利用三維激光掃描技術對建筑物進行全方位的掃描,從而得到由三維點云構成的建筑物表面模型。(1)控制測量網(wǎng)的布設為了更精確地獲得建筑物的三維數(shù)據(jù),首先要在待測建筑物周圍布設測量控制網(wǎng)(如圖1所示),控制測量工作必須遵循“先整體后局部,先控制后碎部”的原則,而控制網(wǎng)的布設又分為平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)兩部分。控制測量是建筑物數(shù)據(jù)采集的前提,通過控制測量把整個建筑物放置在一個測量控制網(wǎng)內,這樣可以把后期采集的數(shù)據(jù)組成完整的建筑物模型。(2)建筑物不同視線的點云模型用三維激光掃描儀對建筑物進行全面掃描,得到建筑物不同視點的三維點云模型,為了更精確地表示建筑物,要對每一個視點的建筑物數(shù)據(jù)進行整理,以便去除不感興趣的數(shù)據(jù)(草、車流等等)。(3)立體點云圖要得到建筑物全面的立體點云模型,還要把不同視點之間的數(shù)據(jù)根據(jù)測量控制網(wǎng)進行配準,從而形成待研究物體的全方位的立體點云圖。地面三維激光數(shù)據(jù)配準精度較好、方便可靠的方法是利用特征配準的方法,特別是利用控制點配準的方法,當然完成一個工程的數(shù)據(jù)配準,不是單獨哪一種配準方法能夠完成的,需要多種配種方法配合使用,有時還要對現(xiàn)有的配準方法加以改進才能使配準效果達到最好。2.三角網(wǎng)模型(1)構建建筑物表面三角網(wǎng)模型三維激光掃描儀所得到的點云模型,是由空間不規(guī)則離散點構成的,這些點云之間并沒有構成建筑物的實際表面,所以要得到建筑物有拓撲關系的真實表面,還要通過特殊的算法來恢復建筑物表面的這種拓撲關系,構建建筑物表面三角網(wǎng)模型就是其中一種比較簡單而實用的方法。(2)角網(wǎng)模型數(shù)據(jù)冗余由于三維激光所采集的數(shù)據(jù)是數(shù)以萬計的三維離散點,所以在進行三角網(wǎng)建模時,就難免會產生數(shù)據(jù)冗余,例如一個平面P在正常情況下,可以由兩個三角網(wǎng)構成,但是由于點云過于密集,所以生成的三角網(wǎng)往往會遠遠多于兩個,這樣就無疑造成了數(shù)據(jù)冗余,所以在構建三角網(wǎng)之后還要對建筑物的三角網(wǎng)模型進行數(shù)據(jù)簡化。(3)建筑物表面特征在三維激光掃描儀采集建筑物的表面點云時,由于樹木遮擋、掃描距離等多方面的影響,致使采集的數(shù)據(jù)不是很完整,造成在建筑物表面存在一些數(shù)據(jù)空洞,在構建三角網(wǎng)模型時,這些數(shù)據(jù)丟失的地方無法構建三角網(wǎng)模型,要根據(jù)建筑物的表面特征來進行數(shù)據(jù)補充,最終形成較為完整的建筑物三角網(wǎng)模型。3.表現(xiàn)建筑物與三角網(wǎng)模型的區(qū)別實體模型也是基于建筑物點云模型構建的,實體模型和三角網(wǎng)模型一樣也是建筑物模型的一種形式,但是二者有很大區(qū)別:三角網(wǎng)模型表現(xiàn)建筑物更精細、準確,但是數(shù)據(jù)量較大;實體模型表現(xiàn)建筑物沒有三角網(wǎng)模型精細,但是數(shù)據(jù)量很小。所以構建一個建筑物模型時,為了更精確地表現(xiàn)建筑物,可以把二者結合起來,建筑物復雜的地方(如斗拱、藻井)可以構建三角網(wǎng),比較簡單、規(guī)則的地方(如墻)可以構建實體模型。構建建筑物的實體模型具體方法如下所述。(1)分離時的建模方法大型建筑物都比較復雜,對建筑物的整體構件進行識別并全部建模到現(xiàn)在為止還沒有被解決,所以在進行建模時,要把建筑物的每一個構建進行分離,分離時可分為規(guī)則的建筑物構件和不規(guī)則的建筑物構件。規(guī)則建筑物構件的建模方法有很多種,例如線性回歸和分段線性擬合等;不規(guī)則建筑物構件的建模要復雜很多,主要是曲面特征點和特征線的提取,然后再利用掃掠、旋轉、放樣的方法構建模型。對于需要保留現(xiàn)狀或者使用上述方法較難建模的建筑物構件,筆者建議構建三角網(wǎng)模型,因為三角網(wǎng)模型損失的精度最少,能保留住建筑物原始面貌。(2)整體測量控制測量利用上述方法把建筑物的每一個構件建模完成后,可以把這些構件放到同一個文件里,由于之前進行了整體測量控制,所以這些構件都有整體的坐標系,只要把它們放到一起就會組成一個完整的建筑物。但是由于各個構件是分開建模的,所以各個構件之間會有大大小小的縫隙和交叉,這時要對各個構件之間的誤差加以修正,最終形成一個完整的建筑物實體模型(如圖2所示)。三、建筑三維模型的分析1.傳統(tǒng)測繪方法、測量智能分析方法到現(xiàn)代測繪的改造中華民族擁有五千年的歷史文化,同時歷史也給中華大地留下了數(shù)不勝數(shù)的歷史古跡,在歷史古跡保護課題中,除了需要通過文獻收集來研究其歷史沿革、發(fā)展軌跡、價值評定以外,最終要對這些古建筑物進行詳盡和全面的空間信息采集和記錄,以便將來對其進行更深一步的研究。但是傳統(tǒng)的古建筑測繪是采用大量的人力,在建筑物周圍搭建大量的腳手架,用皮尺和竹竿來測量每個建筑物的構件,這種方法從測量到繪制成圖的過程中采用了“法式測繪”,漏掉了大量的建筑物現(xiàn)狀信息,同時對古建筑物實行的接觸式測量極有可能對現(xiàn)存的古建筑物構成不必要的損壞。采用三維激光技術測量古建筑,不但可以對建筑物采取無接觸式測量,保障了古建筑物的絕對安全,而且還可以最大限度地保留建筑物的原始信息(如圖3所示)。2.建筑物測量方法基于三維激光技術的古建筑物數(shù)據(jù)是和古建筑物現(xiàn)狀保持一致的,所以可以對建筑物進行定期的測量,通過數(shù)據(jù)對比,可以對建筑物進行整體的和單點的變形分析,為古建筑物維修和現(xiàn)代建筑的工程施工提供有力的保證。3.以多點測繪為核心的數(shù)字城市基本以大型建筑建模為核心的數(shù)字城市建設手段地面三維激光掃描技術的出現(xiàn)使原來的單點測繪拓展為多點測繪,為城市建筑物的建模提供了一種全新的方法,將成為數(shù)字城市建設中一種最現(xiàn)代的技術手段(如圖4所示)。四、傳統(tǒng)測繪、古難度測量、古難證號測量、古地理的建筑測量和設計地面三維激光掃描技術的出現(xiàn)為建筑物建模提供了一種嶄新的原始數(shù)據(jù)(點云數(shù)據(jù)),從而使建筑物建模有了一種全新的方法。但是三維激光技術也不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的古建筑測繪技術,特別