三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

一、維激光掃描測(cè)量技術(shù)3d激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始的一項(xiàng)高科技工程。這是gps之后的另一項(xiàng)新技術(shù)。激光掃描測(cè)量技術(shù)逐步由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光掃描測(cè)量裝置發(fā)展到采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式快速獲取物體表面采樣點(diǎn)三維空間坐標(biāo)的三維激光掃描測(cè)量裝置。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,克服了傳統(tǒng)建筑測(cè)量的局限性,它不再是只量取建筑物的長(zhǎng)寬高的測(cè)量模式,而是能夠?qū)αⅢw實(shí)物進(jìn)行無(wú)接觸掃描,同時(shí)將立體世界的信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)的全新測(cè)量方法,解決了建筑數(shù)據(jù)人為采集時(shí)所帶來(lái)的不必要損失。它具有快速、無(wú)接觸、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等優(yōu)點(diǎn),不但可以極大地降低成本,節(jié)約時(shí)間,而且使用方便,其輸出格式可直接與CAD、三維動(dòng)畫(huà)等工具軟件接口。它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量方法,以點(diǎn)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(diǎn)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(shù)手段。二、建筑的三維模型重建1.點(diǎn)云模型建筑物的點(diǎn)云模型就是利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行全方位的掃描,從而得到由三維點(diǎn)云構(gòu)成的建筑物表面模型。(1)控制測(cè)量網(wǎng)的布設(shè)為了更精確地獲得建筑物的三維數(shù)據(jù),首先要在待測(cè)建筑物周?chē)荚O(shè)測(cè)量控制網(wǎng)(如圖1所示),控制測(cè)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(shè)又分為平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)兩部分?？刂茰y(cè)量是建筑物數(shù)據(jù)采集的前提,通過(guò)控制測(cè)量把整個(gè)建筑物放置在一個(gè)測(cè)量控制網(wǎng)內(nèi),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(xiàn)的點(diǎn)云模型用三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行全面掃描,得到建筑物不同視點(diǎn)的三維點(diǎn)云模型,為了更精確地表示建筑物,要對(duì)每一個(gè)視點(diǎn)的建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,以便去除不感興趣的數(shù)據(jù)(草、車(chē)流等等)。(3)立體點(diǎn)云圖要得到建筑物全面的立體點(diǎn)云模型,還要把不同視點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)根據(jù)測(cè)量控制網(wǎng)進(jìn)行配準(zhǔn),從而形成待研究物體的全方位的立體點(diǎn)云圖。地面三維激光數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度較好、方便可靠的方法是利用特征配準(zhǔn)的方法,特別是利用控制點(diǎn)配準(zhǔn)的方法,當(dāng)然完成一個(gè)工程的數(shù)據(jù)配準(zhǔn),不是單獨(dú)哪一種配準(zhǔn)方法能夠完成的,需要多種配種方法配合使用,有時(shí)還要對(duì)現(xiàn)有的配準(zhǔn)方法加以改進(jìn)才能使配準(zhǔn)效果達(dá)到最好。2.三角網(wǎng)模型(1)構(gòu)建建筑物表面三角網(wǎng)模型三維激光掃描儀所得到的點(diǎn)云模型,是由空間不規(guī)則離散點(diǎn)構(gòu)成的,這些點(diǎn)云之間并沒(méi)有構(gòu)成建筑物的實(shí)際表面,所以要得到建筑物有拓?fù)潢P(guān)系的真實(shí)表面,還要通過(guò)特殊的算法來(lái)恢復(fù)建筑物表面的這種拓?fù)潢P(guān)系,構(gòu)建建筑物表面三角網(wǎng)模型就是其中一種比較簡(jiǎn)單而實(shí)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(wàn)計(jì)的三維離散點(diǎn),所以在進(jìn)行三角網(wǎng)建模時(shí),就難免會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余,例如一個(gè)平面P在正常情況下,可以由兩個(gè)三角網(wǎng)構(gòu)成,但是由于點(diǎn)云過(guò)于密集,所以生成的三角網(wǎng)往往會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于兩個(gè),這樣就無(wú)疑造成了數(shù)據(jù)冗余,所以在構(gòu)建三角網(wǎng)之后還要對(duì)建筑物的三角網(wǎng)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)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(diǎn)云時(shí),由于樹(shù)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(gòu)建三角網(wǎng)模型時(shí),這些數(shù)據(jù)丟失的地方無(wú)法構(gòu)建三角網(wǎng)模型,要根據(jù)建筑物的表面特征來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)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(shí)體模型也是基于建筑物點(diǎn)云模型構(gòu)建的,實(shí)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(xì)、準(zhǔn)確,但是數(shù)據(jù)量較大;實(shí)體模型表現(xiàn)建筑物沒(méi)有三角網(wǎng)模型精細(xì),但是數(shù)據(jù)量很小。所以構(gòu)建一個(gè)建筑物模型時(shí),為了更精確地表現(xiàn)建筑物,可以把二者結(jié)合起來(lái),建筑物復(fù)雜的地方(如斗拱、藻井)可以構(gòu)建三角網(wǎng),比較簡(jiǎn)單、規(guī)則的地方(如墻)可以構(gòu)建實(shí)體模型。構(gòu)建建筑物的實(shí)體模型具體方法如下所述。(1)分離時(shí)的建模方法大型建筑物都比較復(fù)雜,對(duì)建筑物的整體構(gòu)件進(jìn)行識(shí)別并全部建模到現(xiàn)在為止還沒(méi)有被解決,所以在進(jìn)行建模時(shí),要把建筑物的每一個(gè)構(gòu)建進(jìn)行分離,分離時(shí)可分為規(guī)則的建筑物構(gòu)件和不規(guī)則的建筑物構(gòu)件。規(guī)則建筑物構(gòu)件的建模方法有很多種,例如線(xiàn)性回歸和分段線(xiàn)性擬合等;不規(guī)則建筑物構(gòu)件的建模要復(fù)雜很多,主要是曲面特征點(diǎn)和特征線(xiàn)的提取,然后再利用掃掠、旋轉(zhuǎn)、放樣的方法構(gòu)建模型。對(duì)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(gòu)件,筆者建議構(gòu)建三角網(wǎng)模型,因?yàn)槿蔷W(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(cè)量控制測(cè)量利用上述方法把建筑物的每一個(gè)構(gòu)件建模完成后,可以把這些構(gòu)件放到同一個(gè)文件里,由于之前進(jìn)行了整體測(cè)量控制,所以這些構(gòu)件都有整體的坐標(biāo)系,只要把它們放到一起就會(huì)組成一個(gè)完整的建筑物。但是由于各個(gè)構(gòu)件是分開(kāi)建模的,所以各個(gè)構(gòu)件之間會(huì)有大大小小的縫隙和交叉,這時(shí)要對(duì)各個(gè)構(gòu)件之間的誤差加以修正,最終形成一個(gè)完整的建筑物實(shí)體模型(如圖2所示)。三、建筑三維模型的分析1.傳統(tǒng)測(cè)繪方法、測(cè)量智能分析方法到現(xiàn)代測(cè)繪的改造中華民族擁有五千年的歷史文化,同時(shí)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(hù)課題中,除了需要通過(guò)文獻(xiàn)收集來(lái)研究其歷史沿革、發(fā)展軌跡、價(jià)值評(píng)定以外,最終要對(duì)這些古建筑物進(jìn)行詳盡和全面的空間信息采集和記錄,以便將來(lái)對(duì)其進(jìn)行更深一步的研究。但是傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪是采用大量的人力,在建筑物周?chē)罱ù罅康哪_手架,用皮尺和竹竿來(lái)測(cè)量每個(gè)建筑物的構(gòu)件,這種方法從測(cè)量到繪制成圖的過(guò)程中采用了“法式測(cè)繪”,漏掉了大量的建筑物現(xiàn)狀信息,同時(shí)對(duì)古建筑物實(shí)行的接觸式測(cè)量極有可能對(duì)現(xiàn)存的古建筑物構(gòu)成不必要的損壞。采用三維激光技術(shù)測(cè)量古建筑,不但可以對(duì)建筑物采取無(wú)接觸式測(cè)量,保障了古建筑物的絕對(duì)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(cè)量方法基于三維激光技術(shù)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(duì)建筑物進(jìn)行定期的測(cè)量,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,可以對(duì)建筑物進(jìn)行整體的和單點(diǎn)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(diǎn)測(cè)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(shè)手段地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)使原來(lái)的單點(diǎn)測(cè)繪拓展為多點(diǎn)測(cè)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(shè)中一種最現(xiàn)代的技術(shù)手段(如圖4所示)。四、傳統(tǒng)測(cè)繪、古難度測(cè)量、古難證號(hào)測(cè)量、古地理的建筑測(cè)量和設(shè)計(jì)地面三維激光掃描技術(shù)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(diǎn)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(shù)也不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的古建筑測(cè)繪技術(shù),特別