(成都理工大學(xué) 四川 成都 610000)

形體測量起初是應(yīng)用在工業(yè)制造業(yè)上對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制，隨著時(shí)代的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于建筑物的建造已經(jīng)不僅僅局限于曾經(jīng)的簡單建筑物和小型廠房，越來越多的大型復(fù)雜的建筑物，工業(yè)工程以及水利建筑物和精密科研建筑物大量建造起來。這些大型建筑物在在空間位置、幾何形狀、以及外部尺寸等參數(shù)的控制具有更高的要求。基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物形體測量相對(duì)于其他方法具有更加明顯的優(yōu)勢，但同時(shí)也是具有一定缺點(diǎn)的。形體測量的結(jié)果精度是依托于三維激光掃描儀對(duì)建筑物的掃描結(jié)果和空間數(shù)據(jù)獲取的精度，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度越高，點(diǎn)云密度越大，建模的效果越好，最終獲取建筑物的特征點(diǎn)、特征線、特征面的精度也就越高。

一、建筑物形體特性

大型建筑物及其構(gòu)筑物的形體特性是指其外部形態(tài)或者構(gòu)成在長度、寬度、高度及其空間位置和體積等重要參數(shù)在幾何方向上的描述，并且還要包含外部形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系的特點(diǎn)。大型建筑物及其構(gòu)筑物的形體特性是表現(xiàn)其組成結(jié)構(gòu)最直觀的描述，是將其空間特征抽象信息與其實(shí)體具體特征相結(jié)合，對(duì)于實(shí)現(xiàn)大型建筑物及其構(gòu)筑物的形體測量，獲取其特征是至關(guān)重要的。建筑物的形體特性是對(duì)其空間實(shí)體用抽象參數(shù)表示的方式，通過一些重要的幾何參數(shù)進(jìn)行表達(dá)，必要時(shí)候?qū)ζ浣ㄖ飳?shí)體外部與內(nèi)部通過參考物和幾何參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)描寫，這樣就可以清晰表達(dá)整個(gè)建筑物的基礎(chǔ)特征。

二、三維激光掃描技術(shù)的工作原理和數(shù)據(jù)處理

(一)建筑物以及構(gòu)筑物的空間數(shù)據(jù)的定義是：在某些特定的參考系下，建筑物的整體或者某結(jié)構(gòu)部位在空間中的位置、組成、以及空間拓?fù)潢P(guān)系的相關(guān)屬性，還包含確定建筑物以及構(gòu)筑物形體特性取得的空間離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)。依據(jù)建筑物的空間數(shù)據(jù)定義可以得知，如果需要對(duì)建筑物進(jìn)行形體測量需要獲取所研究的建筑物空間坐標(biāo)點(diǎn)。不管是復(fù)雜建筑物還是簡單建筑物，一個(gè)完整的建筑物都可以分解為點(diǎn)、線、面，具體又可以分為實(shí)點(diǎn)、實(shí)線、虛點(diǎn)、虛線等具體以及抽象的特征，點(diǎn)、線、面還要具備顏色、材質(zhì)、空間拓?fù)潢P(guān)系等。其中空間拓?fù)潢P(guān)系是空間建筑物存在的關(guān)系基礎(chǔ)，為了對(duì)建筑物進(jìn)行形體測量認(rèn)識(shí)建筑物的形體特性通常需要對(duì)建筑物進(jìn)行有序的有目的測量采樣，獲取的建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是進(jìn)行空間數(shù)據(jù)獲取的主要內(nèi)容。

(二)三維激光掃描儀的工作原理。三維激光掃描儀主要是由一臺(tái)快速高精度的激光測距儀、一組可以旋轉(zhuǎn)并且反射激光勻速運(yùn)動(dòng)的反射棱鏡、一臺(tái)高分辨率的數(shù)碼相機(jī)、和記錄儀器空間姿態(tài)的電子陀螺和電子水平儀等構(gòu)成。當(dāng)儀器運(yùn)作的時(shí)候，通過棱鏡的內(nèi)置馬達(dá)勻速旋轉(zhuǎn)棱鏡同時(shí)基座馬達(dá)也同時(shí)勻速運(yùn)動(dòng)反射激光，從而完成對(duì)目標(biāo)物的全方位掃描，并通過內(nèi)置處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與處理，從而獲得目標(biāo)物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀在對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描的時(shí)候的獲取的原始數(shù)據(jù)有兩個(gè)，第一個(gè)是根據(jù)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的反射棱鏡和水平轉(zhuǎn)動(dòng)的底座得到激光發(fā)射的時(shí)候的豎直方向角和水平方向角。第二個(gè)是根據(jù)石英鐘所得到的激光傳播的時(shí)間求得目標(biāo)點(diǎn)與儀器之間的距離。根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離以及豎直方向角和水平方向角可以得到每一個(gè)掃描點(diǎn)的相對(duì)空間三維坐標(biāo)。

(三)三維激光掃描儀的坐標(biāo)系定位原理。三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描后所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間三維坐標(biāo)是通過一定的坐標(biāo)系統(tǒng)表示出來的，這種坐標(biāo)系統(tǒng)稱之為儀器坐標(biāo)系。通常情況下是以三維激光掃描儀的激光發(fā)射器為坐標(biāo)的原點(diǎn)，儀器的豎向掃描面為Z軸并且向上為正，儀器的橫向掃描面為X軸并且與Z軸垂直而且垂直于目標(biāo)物所在的方向，Y軸位于橫向掃描面內(nèi)并且與X軸垂直，正方向指向物體，X軸、Y軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

(四)三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)處理。對(duì)于三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來說，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理大體可以分為兩步，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要的工作如下：坐標(biāo)糾正，就是在掃描區(qū)域中通過相鄰測站之間公共的3個(gè)以上參考球或者標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行圖像之間的配準(zhǔn)，使得不同掃描區(qū)域中的點(diǎn)云坐標(biāo)系劃歸到同一個(gè)坐標(biāo)系下；數(shù)據(jù)濾波，主要是通過設(shè)置各種不同的參數(shù)刪除主體點(diǎn)云以外的多余點(diǎn)云；地理參考，是指將點(diǎn)云中的空間三維坐標(biāo)系從儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)鼗蛘呷蜃鴺?biāo)系下；數(shù)據(jù)分割，是指將同一掃描區(qū)域中的點(diǎn)云分割到點(diǎn)云子集中；曲面擬合，是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)的方法確定某一表面的數(shù)學(xué)形式；格網(wǎng)建立，是在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中建立三角網(wǎng)。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，就可以進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，最終可以得到擬合三維圖像，正射影像，形體測量中的特征提取，以及各種特征點(diǎn)、特征線、特征面。

三、點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征提取

利用三維激光掃描技術(shù)，可以在復(fù)雜的施工環(huán)境以及空間進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采樣從而獲取建筑物以及其他構(gòu)造的形體特性，并且對(duì)于大型、復(fù)雜、不規(guī)則、不標(biāo)準(zhǔn)的建筑物以及構(gòu)造物可以實(shí)現(xiàn)完整的三維數(shù)據(jù)采集并且獲取點(diǎn)云所在實(shí)體的顏色和紋理信息，從而快速獲取實(shí)體目標(biāo)的點(diǎn)、線、面便于對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的擬合建模從而獲取建筑物的特征點(diǎn)、特征線、特征面等一系列的建筑物的形體特性。三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取目標(biāo)建筑物的完整的三維信息并且以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式導(dǎo)出，點(diǎn)云數(shù)據(jù)有利于快捷的擬合出目標(biāo)建筑物的三維模型，因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)獲取的是建筑物的三維空間中的位置參數(shù)，因此對(duì)于建筑物的形體測量中特征提取具有很大的幫助，并且由于獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不僅包含建筑物的空間位置信息還包含建筑物的顏色信息因此為以后其他的數(shù)據(jù)處理提供了更加豐富的源數(shù)據(jù)。

四、不足以及發(fā)展方向

本文主要圍繞著基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物形體測量技術(shù)進(jìn)行研究。對(duì)于空間數(shù)據(jù)的獲取，三維激光掃描儀具有效率高、操作簡單、數(shù)據(jù)處理可視化、精度高、大大節(jié)省人力物力。對(duì)于特征提取，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征提取針對(duì)性強(qiáng)，操作靈活，視角靈活，可為正視圖、俯視圖、左視圖、右視圖等其他的一些視角，這為建筑物的整體及其細(xì)節(jié)監(jiān)測提供了便利性。

此方法雖然有它自身的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，但同時(shí)也有它自身的缺點(diǎn)和不足，未來對(duì)于形體測量的研究方向應(yīng)朝著如下方向發(fā)展：

(1)由于在掃描的過程中不免會(huì)有樹木、車輛、行人等障礙物的遮擋，因此掃描結(jié)果可能或多或少的缺失，如果在數(shù)據(jù)處理的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)問題會(huì)使整體效率降低，并且再掃描的話可能造成配準(zhǔn)的困難。如何解決這個(gè)問題是提高數(shù)據(jù)獲取整體效率的一個(gè)關(guān)鍵所在；

(2)在進(jìn)行建筑物特征線提取的時(shí)候，如果使點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別建筑物的特征線，在不需要建模的前提下直接提取建筑物的形體特征，并由此獲取特征點(diǎn)以及特征面將會(huì)提高整體的工作效率。