张会霞,陈宜金,刘国波

(中国矿业大学 资源与安全工程学院,北京 100083)

基于三维激光扫描仪的校园建筑物建模研究

张会霞,陈宜金,刘国波

(中国矿业大学 资源与安全工程学院,北京 100083)

三维激光扫描仪可以连续、自动、快速获取目标物表面的采样点数据。论述三维激光扫描仪工作原理、数据处理流程。以校园建筑物为例,给出三维数据获取、数据处理、模型建立的基本方法和结果。探讨采用点云数据进行数字校园的方法。

三维激光扫描;建筑物;建模

三维激光扫描测量技术是继 GPS之后的又一项测绘新技术,已成为空间数据获取的重要技术手段。特别是机载激光扫描系统发展很快,已经用于快速获取大面积的三维地形数据[1]。基于地面的三维激光扫描系统目前正引起广泛的关注,是三维激光扫描发展的一个重要方向,并在数字化文物保护、工业测量、数字城市、地形可视化、智能交通、土木工程等领域有着广泛的用途。

传统的测量方式是单点采集数据,获取的是单点数据,而三维激光扫描测量技术不需要合作目标,可以自动、连续、快速地获取目标物表面的密集采样点数据,即点云数据。获取的信息量也从点的空间位置信息扩展到目标物的纹理信息和颜色信息,并且拥有许多自己独特的优势,例如:①数据获取速度快、实时性强;②数据量大,精度较高;③主动性强,能全天候工作;④全数字特征,信息传输、加工、表达容易[2]。

本文采用Leica的 HDS6000三维激光扫描仪(见图1),结合三维激光扫描仪的基本工作原理,探讨从数据获取到建模的整个流程。通过对校园建筑物的扫描、数据处理,建立校园建筑物三维模型,探讨采用三维激光扫描仪获取空间数据,从而进行数字校园的研究。

图1 Leica的 HDS6000三维激光扫描仪

1 三维激光扫描原理

1.1 三维激光扫描测量系统工作原理

地面三维激光扫描系统由地面三维激光扫描仪和系统软件、电源以及附属设备构成。地面的三维激光扫描仪类型较多,有Leica的 HDS系列,奥地利Riegl公司出品的LM S-Z420i,Trimble公司生产的M ensi GS200三维激光扫描仪等,不同制造商的扫描仪生产数据的质量(例如:分辨率、精度、扫描速度、激光射束发散性)可能不同,但三维激光扫描仪的根本原理本质上都是相同的[3]。三维激光扫描仪的构造主要包括:一台高速精确的激光测距仪、一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜,部分仪器具有内置的数码相机,可以直接获得目标物的影像。通过传动装置的扫描运动,完成对物体的全方位扫描,然后进行数据整理,通过一系列处理获取目标表面的点云数据。

激光测距仪主要由激光发射器、接受器、时间计数器、微电脑组成。激光测距主要应用两种测量原理:脉冲测时测距和激光相位差测距。脉冲式测距主要包括以下4个过程,激光发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉冲,同时接受由目标表面后向反射信号,利用稳定的石英钟对发射与接收时间差作计数,利用微电脑计算仪器和扫描点间的距离值。相位式测距则是通过测定激光在待测距离上往返传播所产生的相位延迟而间接测定传播时间,从而求得待测距离。与脉冲式测距相比相位式测距速度更快。

三维激光扫描仪的原始观测数据主要包括:①根据两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到的激光束的水平方向值和竖直方向值。②根据激光传播的时间计算得仪器到扫描点的距离,根据这个距离,再配合激光束的水平方向角和垂直方向角,可以得到每一扫描点相对于仪器的空间相对坐标,如图2所示。③扫描点的反射强度等。根据前两种数据计算扫描点的三维坐标,扫描点的反射强度则用来给反射点匹配颜色。点的表示形式为(x,y,z,reflectivity)[4],不仅包含点的空间位置还包含点的反射强度。

图2 地面三维激光扫描系统的定位原理

三维激光扫描仪的工作过程,实际上就是一个不断数据采集和处理过程,它通过具有一定分辨率的空间点坐标(x,y,z),其坐标系是一个与扫描仪设置位置和扫描仪姿态有关的仪器坐标系所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果[5]。

1.2 三维激光扫描测量系统坐标系的定位原理

地面三维激光扫描测量系统对物体进行扫描后采集到的空间位置信息是以特定的坐标系统为基准的,这种特殊的坐标系称为仪器坐标系,不同仪器采用的坐标轴方向不尽相同,通常其定义为:坐标原点位于激光束发射处,Z轴位于仪器的竖向扫描面内,向上为正;X轴位于仪器的横向扫描面内与Z轴垂直,且垂直于物体所在方向;Y轴位于仪器的横向扫描面内与X轴垂直,且与 X轴、Y轴一起构成右手坐标系,同时 Y轴正方向指向物体[6]。

三维激光扫描点的坐标(x,y,z)计算公式为

式中:θ为激光束的竖直方向角,α为激光束的水平方向角,S为仪器到扫描点的斜距。

2 三维激光扫描数据处理

要建立一个目标物的数字模型,必须经过一系列的数据处理操作,三维激光扫描数据处理可分为两个步骤:扫描数据的预处理和最终产品[7],常用的数据工作流程如图3所示。

图3 3D激光扫描仪数据工作流程

数据预处理指的是直接在点云上的操作,主要包括坐标纠正、数据滤波、地理参考、数据分割、曲面拟合和格网建立等。坐标纠正就是在扫描区域中设置控制点或标靶点,使得相邻区域的扫描点云图上有3个以上的同名控制点或控制标靶。通过控制点的强制附合,将相邻的扫描点云图统一到同一个坐标系下;数据滤波主要是减少数据的噪声点;地理参考主要是把仪器坐标系下的点云数据转化到当地或全球坐标系统下;数据分割是将点云数据划分到不同的点云子集中,每个点云子集代表同一种曲面形式;曲面拟合是运用数学方法确定点云子集所属表面类型的数学形式[8];格网建立主要是点云数据的三角网的建立,为建立模型做准备。最终的产品形式主要有3D模型、正射影像等;在3D模型上可以提取等高线、剖面图等。

3 应用实例

本实例为中国矿业大学(北京)学十楼及科技会堂的扫描建模,采用Leica的 HDS6000三维激光扫描仪和系统软件Cyclone 5.8采集数据,HDS6000的主要技术指标:采用相位式测距法,扫描速度50万个点/s,最大扫描距离50 m。

1)扫描前的准备工作:对扫描目标物进行现场堪踏,确定扫描路线,扫描的测站数、测站位置,标靶数、标靶位置。学十楼及科技会堂由于规模较大,形状复杂且周围空间狭窄,HDS6000的扫描距离较短,共扫描13站:前面4站,后面5站,左右各2站,由于标靶较少,主要采用纸标靶,贴于建筑物的墙上。

2)扫描:采用 HDS6000三维激光扫描仪和系统软件Cyclone 5.8在电脑的控制下进行扫描。在每一测站设置采样间隔、距离等参数,扫描目标物、标靶,获得目标物和标靶的采样点点云图。扫描学十楼及科技会堂采用的扫描距离为20 m,采样分辨率为高,采样间隔为13 mm×13 mm。图4为学十楼及科技会堂一侧的点云,其中字母 A 1、A 2、B1、B2、B3等为标靶的标识,细线所指的点为标靶的中心位置。

图4 学十楼及科技会堂一侧的点云图

3)测量标靶的坐标:采用全站仪测得标靶坐标,用于把仪器坐标系下的点云数据纠正到测量坐标系下,已知后视点以及当前测站点的坐标,可以获得作为前视点标靶的坐标,数据格式是 X、Y、Z形式,本次共测得6个标靶的测量坐标,如表1所示。

表1 标靶的测量坐标 m

4)坐标纠正:坐标纠正有两种方法,即采用标靶纠正和采用点云纠正。前一种适用的条件是相邻两个测站之间至少有3个公共标靶点,利用公共标靶作为约束条件进行拼接。后一种方式是两测站之间公共标靶数少于3个或无标靶,采用同名点进行拼接,这种方式误差较大。要转为实测坐标,还需导入3个以上标靶的测量坐标,把仪器坐标系下的标靶坐标纠正成测量坐标,这样所有的点云数据转换为公用坐标系下的坐标。本次扫描由于标靶不够,采用点云进行纠正,纠正后的点云图如图5所示。

图5 纠正后的学十楼及科技会堂外表面点云图

5)数据滤波:扫描时建筑物前面存在树木、路灯、行人、车辆等遮挡物就会在点云数据表面形成空洞,通过对点云的分割和滤波,除去各测站点云图的噪声点,包括非目标物采样点,如树木、行人等,提取出目标物,如图5所示。

6)三维模型建立:采用三维激光扫描仪扫描目标物,其中最终产品之一是建立目标物的三维模型,并可在模型上提取断面图,进行量测、网上发布等一系列操作。本实例模型的建立是采用 HDS三维激光扫描仪系统软件Cyclone6.0建成,在Modelspace模块下完成,主要由几个步骤完成:①定义坐标系;②建立参考面;③绘图;④生成面;⑤挖去窗户部分;⑥增长厚度。建成的模型如图6所示。

图6 学十楼及科技会堂建筑物外表面模型

4 结束语

本文主要研究了使用三维激光扫描仪获取空间数据的一些基本问题。通过数据处理建立建筑物三维模型,并对三维激光扫描原理、坐标纠正、模型建立进行了详细的阐述;最后通过对校园建筑物模型的建立,探讨在数字校园工作中采用三维激光扫描仪获取空间数据,建立建筑物模型的可行性,并通过试验,表明该方法是可行的。下一步的研究试图把模型纠正到大地坐标系中,并与二维校园平面图叠合在一起,为校园空间信息的网络发布,虚拟校园建设提供基础信息。

[1]李必军,方志祥,任 娟.从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究[J].武汉大学学报:信息科学版,2003,28(1):65-70.

[2]D INESH M,RYOSUKE S.Auto-extraction of U rban Features from Vehicle-Borne Laser Data[Z].Symposium on Geospatial Theo ry Processing and App lication,Ottawa,2002.

[3]臧 克.基于Riegl三维激光扫描仪扫描数据的初步研究[J].首都师范大学学报:自然科学版,2007,28(1).

[4]吴 静,靳奉祥,王 健.基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J].测绘工程,2007,16(5):57-60.

[5]张远智,胡广洋,刘煜彤,等.基于工程应用的三维激光扫描系统[J].公路运输文摘,2001(9):38-40.

[6]刘 春,杨 伟.三维激光扫描对城市空间特征的采集和建模[J].2005中国数字城市发展战略论坛,2005(10):315-321.

[7]ANDREA B IASION,LEANDRO BORNAZ,FULV IO RINAUDO.Laser Scanning App lication on Disaster Management.Italy:Sp ringer Berlin Heidelberg:Geo-info rmation fo r Disaster Management,2005.

[8]郑德华.三维激光扫描数据处理的理论与方法[D].上海:同济大学,2005.

Campus building modelling based on 3D laser scann ing

ZHANG Hui-xia,CHEN Yin-jin,L IU Guo-bo
(School of Resource and Safety Engineering,CUM TB,Beijing 100083,China)

3D laser scanner can be used to get the samp le data of the target surface continuously and quickly.In this paper,3D laser scanner working p rincip le,data p rocessing are discussed in detail.Taking the campus building as an examp le the author deals w ith the basic methods and resultsof the 3D data acquisition,data p rocessing and modelling.How to digitize the campus using the points cloud data is discussed.Key words:3D Laser scanning;building;modelling

TU 1

A

1006-7949(2010)01-0032-03

2008-12-26

张会霞(1972-),女,工程师,博士研究生.

[责任编辑刘文霞]