三维激光扫描在规划工程竣工测量中的应用

三维激光扫描在规划工程竣工测量中的应用

苗乃哲

山东龙建设计有限公司山东寿光262700

摘要：本文通过对三维激光扫描技术的影响因素、三维数据的配准技术的分析，结合结构工程竣工验收的内容，提出了三维激光扫描在规划工程竣工测量中的工作方法，研究结构对结构工程竣工测量技术有一定的指导意义。

关键词：三维激光扫描；竣工测量；影响因素

三维激光扫描仪是一种新型的非接触式坐标测量仪器。它以点云的形式表示复杂对象的表面信息。它具有高精度，因此被越来越广泛地使用。通过研究点云数据的配准和拟合优化算法，可以提高三维激光扫描技术在规划竣工测量中的数据质量。

1.三维激光扫描的工作原理与工作流程

三维激光扫描系统建立以仪器中心为原点的三维极坐标，通过测量激光束的水平垂直角和目标到仪器中心的距离，计算出测量点的三维坐标，获得目标体的面阵列点云数据。每个点可以表示成极坐标或笛卡尔坐标，以及反射强度值信息。

三维激光扫描系统的工作流程如下：数据采集，在选定的工作站上设置扫描仪，利用软件平台控制三维激光扫描仪对被测对象进行扫描，获取实体相关信息；数据处理和数据预处理数据采集完成后，系统的总体工作流程需要去除原始点云数据的误差，对扫描得到的图像数据进行几何校正。对于数据拼接配准，需要对每个测点的预处理云数据进行拼接后获得完整的点云数据文件。

2、精度影响因素

2.1装置内部因素

仪器的内部器件因素包括硬件参数和标度精度。仪器的硬件参数主要包括激光束的发散宽度和角分辨率，仪器的校准精度主要是仪器的最大扫描距离和分辨率。

2.2扫描几何条件

（1）入射角

三维激光扫描仪的几何安装位置和扫描仪与扫描仪之间的相对位置决定了扫描的几何条件。激光距离和角度服从正态分布，三维激光扫描仪发出高斯速度，这也表明高斯光束的能量服从正态分布，即反射和折射信号服从正态分布，入射角为零，激光光束的能量预发出圆形印痕分布。扫描仪和三维激光扫描仪也服从正态分布，物体越远，圆形印记的范围越宽，信号的反射强度越低。当高斯光束入射角不为零时，圆刻印会变长，能量分布呈椭圆形。

（2）光照强度

随着扫描距离的增加，高、低照度异常值与拟合平面的比例增大。低照度扫描环境的“异常值”小于高照度扫描环境的“异常值”。不同距离点云的拟合误差也与光照强度呈“反向”关系。也就是说，随着距离的增加，拟合平面在不同光照强度下的中误差也随之增加。因此，弱光照强度是扫描点云的较好质量，有利于提高点云数据可用率。

2.3扫描物体属性

扫描对象的属性主要包括被扫描对象的各种异常，包括反射对象的发射率、反射表面的粗糙程度、反射对象的组成和扫描仪波长的匹配度等。

3.数据配准

3.1数据配准概念

将三维激光扫描数据统一到同一坐标系，减少冗余数据的过程称为点云数据的空间配准，包括序列拼接、整体匹配和数据融合三个方面。序列拼接，即两站的拼接，是指将两站的点云数据集成到同一坐标系中。是指序列拼接后消除同一坐标系中的累积误差。可以看出，坐标系的最佳数据融合是在扫描重叠区删除冗余数据。另外，坐标系一的处理过程也可以称为拼接，因此数据的配准包括数据拼接和数据融合两部分。与图像配准一样，点云数据空间配准的第一个要求是两个点云之间存在重叠。也就是说，在实际场景中，必须在需要注册的两个站点之间扫描一些对象。现在。理论上，来自两个地点的三维点云数据的重叠区域是以不同方式对同一表面进行离散采样。由于扫描过程中存在噪声，扫描角度不同，在同一重叠区域表面采样的离散点位置不一致，所有算法只能逼近配准结果。

3.2三维激光扫描数据的拼接模型

地理场景配准不同于逆向工程中的模具配准。主要有以下区别：当勘察场地反向工程扫描较多时，场地一般控制在一个范围内，而地理场景的扫描，为了获得所需的场景表面信息，可能需要设置10个或几十个不同的场地进行重建。逆向工程中的配准精度是为了精确建模。建模精度至少要达到毫米级。此时，我们需要采用精确配准的算法。地理场景配准不需要这么高的精度，可以控制在厘米级。该算法是一种相对稳定、鲁棒的逆向工程配准算法。针对地理场景采集点数量多、数据量大、精度不高的特点，传统的算法在效率上存在很大的不足。原因是寻找对应点的计算成本太大。空间搜索算法可以大大提高收敛速度，但收敛速度相对较慢。尽管变体不同。算法的各个方面都得到了改进，但这些变化本质上不影响算法的收敛特性。例如，很难通过引入颜色和法向量等特征来证明其收敛性。此外，它的变异算法也有许多缺点。例如，虽然重采样方法提高了计算速度，但却失去了精度。用于距离测量的颜色信息对重建对象本身有较高的要求。

总之，该算法是一种以牺牲效率来获得精度的方法。结合三维激光扫描数据场景配准的特点，地理场景中有许多特征，如建筑物的边角等。正确选择相同点对的点对是数据配准中的一个关键问题，它直接影响配准的准确性，决定了整个配准过程的内存占用时间。理论上只要有三对共线有效同音字，具有一定重合度的点云数据就可以是镶嵌的。然而，由于噪声的存在以及测量引起的各种误差，在所获得的多视点云中，在绝对相同的位置上没有对应的点。此时，为了达到一定的建模精度，需要采用特定的方法来实现。具体方法是将同一位置上的对应点选作数据拼接的同一命名点。一般来说，有两种方法：标记。通过在场景中放置标签或球，标签中心或球中心可以在以后的数据处理中用作同名点。第二种方法是手特征点提取。在很大程度上，这种方法依赖于专业人员的数据处理经验。在模具的精确点云配准中，通常用于数据的粗配准。

4.三维激光扫描在规划工程竣工测量中的应用

对于大型单体或复合建筑，在竣工验收阶段难以进行测量，测量数据较多。采用玻璃幕墙结构，反射效果差。三维激光扫描技术需要按照以下步骤进行相关工作；

（1）明确建设工程规划竣工测量的内容：图纸审查、控制测量、建筑平面位置、建筑长、宽、建筑标高、高度、建筑面积测量、计算、现状地形测绘、其他附属设施测绘和其他附属设施测绘。相关对象，并规划四对一的距离关系。标签、平面布置等规划要素的测量，与规划指标的比较和说明。

（2）在控制点设置三维激光扫描仪，从主塔内部和周围进行扫描和测量。

（3）通过现场扫描、数据预处理、点云去噪、修复数据孔、点云切割、点云配准、点云减薄、分层切片、建筑物轮廓提取等方法获取主塔平面位置及轮廓信息。

（4）面积核算。

参考文献

[1]丛佳男.网络RTK在复杂环境中的定位情况及精度分析[D].青岛:山东科技大学,2017.

[2]李强,邓辉,周毅.三维激光扫描在矿区地面沉降变形监测中的应用[J].中国地质灾害与防治学报,2014,25(1):119-124.

[3]鲁铁定,周世健,张立亭,官云兰.基于整体最小二乘的地面激光扫描标靶球定位方法[J].大地测量与地球动力学,2009,29(04):102-105.

作者简介：苗乃哲（1986-03），男，工程师，硕士，主要从事工程测量领域的工作