基于三维激光扫描仪的校园建筑物建模研究

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第19卷第1期 测 绘 工 程 Vol 19 1 2010年2月 ENGINEERING OF SURVEYING AND MAPPING Feb 2010 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 摘 要 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 关键词 三维激光扫描 建筑物 建模 中图分类号 TU1 文献标识码 A 文章编号 100627949 2010 0120032203 Campus building modelling based on 3D laser scanning ZHANG Hui2xia CHEN Yin2jin LIU Guo2bo School of Resource and Safety Engineering CUMTB Beijing 100083 China Abstract 3D laser scanner can be used to get the sample data of the target surface continuously and quick2 ly In this paper 3D laser scanner working principle data processing are discussed in detail Taking the campus building as an example the author deals with the basic s and results of the 3D data acquisi2 tion data processing and modelling How to digitize the campus using the points cloud data is discussed Key words 3D Laser scanning building modelling 收稿日期 2008212226 作者简介 张会霞 1972 女 工程师 博士研究生 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 数据获取速度 快 实时性强 数据量大 精度较高 主动性强 能全天候工作 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LMS2Z420i Trimble公司生产 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 的Mensi 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 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 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 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 X Scos sin Y Scos cos Z Ssin 1 式中 为激光束的竖直方向角 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 33 第1期 张会霞 等 基于三维激光扫描仪的校园建筑物建模研究 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 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A1 A2 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 点号X坐标Y坐标Z坐标 A1314384 191499226 70151 499 A2314390 038499226 58351 488 B2314407 338499224 81651 933 C1314457 007499225 18651 508 D1314478 109499224 88151 016 D2314480 455499220 40951 356 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 定义坐标系 建立参考面 绘图 生成面 挖去窗户部分 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 下转第38页 43 测 绘 工 程 第19卷 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 2 3 其他减弱多路径误差影响的方法和措施