三维激光扫描在城市地下空间三维建模的应用

三维激光扫描在城市地下空间三维建模的应用

吴磊 ,王晓玲

浙江正元地理信息有限责任公司，浙江省德清县 313200

摘要：三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。本文结合地下空间三维建模的全程技术路线，详细介绍了三维激光扫描技术的应用，总结了三维激光扫描技术在地下空间三维建模中的优越性和实用性。

关键词：三维激光扫描技术；城市地下空间；三维建模；应用。

1、引言

查清城市地下通道、地下公共停车场等地下空间市政基础设施的基本情况，可以为城市规划、建设、管理、更新等提供基础数据支撑。地下空间由于其通视条件等特殊性，决定了在三维建模时难以采用常规仪器采集数据，三维激光扫描技术的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，大面积、高分辨率的快速获取被测物体的空间几何信息，直接获得高精度的扫描点云数据，快速建立三维模型。

2、三维激光扫描技术概述

2、1三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。

2、2三维激光扫描技术流程

利用三维激光扫描仪获取点云数据，再通过控制控制测量、点云拼接等技术手段建模。

3、三维激光扫描技术在地下空间三维建模中的应用

本工程位于浙江省台州市某小区地下停车场，工程范围为小区地下通道、地下公共停车场。

3.1外业数据采集

3.1.1控制测量

在出口分别做两个相互通视控制点，然后利用网络RTK测量控制点的平面和高程。标靶布设时应符合以下要求：

①标靶应在扫描范围内均匀布置且高低错落；

②每个扫描站的标靶个数不应少于4个，相邻两扫描站的公共标靶个数不少于3个；

③明显特征点可作为标靶使用，布设的图根控制点也可作为标靶使用。

④地下空间具有墙角等明显特征点，在扫描时可不布设标靶，可把墙角等明显特征点作为标靶由于后期的点云数据配准，这样可以减少外业数据采集时间。

3.1.2点云采集

通过现场踏勘制定外业扫描方案，按照制定的方案进行点云数据的扫描工作。

点云数据扫描应满足下列要求：

①作业前应该将仪器放置在观测环境中30分钟以上；

②扫描作业时应该符合下列规定：满足相邻测站间有效点云的重叠度不低于30%，困难区域不低于15%的要求；应根据项目名称、扫描日期、扫描站点等信息命名扫描站点，存储扫描数据，并在草图上标注测站位置。

三维激光扫描仪外业数据扫描示意图如图1所示；

图1三维激光扫描仪作业示意图

3.2内业数据处理

3.2.1点云预处理

数据预处理包括点云数据配准、降噪与抽稀等。

①点云数据配准

将外业采集的点云数据导入点云预处理软件Trimble RealWorks中，由于本项目测站距离较近，在导入过程中可根据距离过滤远处的点云，设置最小过滤距离为0m，最大过滤距离为20m。选择基准测站点云，通过全自动地在点云内提取大量平面，依托软件算法，进行点云数据的全自动配准工作。全自动配准完成后进行精化配准，使配准效果更好。点云数据配准后输出配准报告，根据配准报告分心本项目配准情况，如出现点云间误差较大，或者可信度较小的情况，说明配准存在问题，需要手工进行单点配准校正。

②降噪与抽稀

噪声是受仪器本身、扫描环境、目标物体表面介质等多个因素综合作用的结果，按照噪声产生的原因，可将其分为三类：第一类是仪器系统误差，它是指因仪器内部本身系统上的缺陷、性能上的不足等导致的误差，这些因素主要包括扫描仪测距精度的高低、扫描角的大小、扫描分辨率的大小、仪器的抗震性能大小等，在这些因子的综合影响下，使得扫描所得的点云数据中含有系统误差和随机误差；第二类是受被测目标影响产生的误差，这些影响因子包括扫描实体外轮廓面的材质构成、对激光的吸收强度、外表面的粗糙程度、纹理、颜色、反射率等；第三类是指受偶然因素或不可预测因素影响产生的误差，如扫描时受车辆或行人、树木等遮挡引起的误差。

对于第一类噪声，在条件允许时，通过选用测量精度高、系统误差小、性能好的仪器扫描来减小该类误差；在条件不允许时，一般通过选择最适扫描时间、温度天气、调整扫描参数、调配扫描间隔、改变扫描角度或进行平滑滤波等去噪；对于第二类噪声，通常通过增加反射率、选择阳光照度、改变扫描距离等去噪；对于第三类噪声，在不影响建模的情况下不做处理。

3.3三维模型建立

本次工程采用SVSModeler V2.0和SVSMeshEditor V2.0软件进行模型建立，SVSModeler是基于3ds Max开发的一款倾斜单体化软件，其可以对倾斜影像数据以及点云数据为基础进行建模处理。SVS可以和3ds Max联动使用，在SVS中加载点云数据，点云数据加载后显示较为清晰，根据点云模型可进行三维建模，建立的模型在SVS和3ds Max中可同时联动显示，便于观察和模型细节处理。

3.4纹理数据编辑

纹理采集编辑时，应合理确定纹理图像的分辨率、尺寸、颜色和匹配精度，应符合下列要求：

①标准纹理数据宜将纹理预先编辑与处理，存储于纹理库中；人工纹理通过影像、激光扫描、视频信息中提取对象的各面影像；对有规律的纹理可采用重复贴图的方式，具有相似结构的模型可建立模型库；

②真实性：纹理数据应能真实反映物体表面的颜色、质地、形状和图案等，同一区域内同种类物体的纹理应协调一致。纹理要正确反映木材、石材、玻璃、金属等建筑材质特征；

③视觉效果：纹理数据应色调均匀、自然真实、拼接无缝、过渡自然，不得有模糊的观感。

④分辨率：纹理分辨率一般应不低于每像素5cm，纹理长宽像素应为2的n次方(n为自然数)，并且保持长宽比的差距不能过大，纹理格式一般采用“*.jpg、*.png”等格式。

⑤几何精度：纹理应进行纠正处理，减少视角或镜头畸变引起的变形，并消除影像的眩光和阴影。

3.5成果分析

3.5.1精度统计

在地下停车场均匀选取20个特征点，外业利用全站仪对20个特征点进行测量，然后在模型中提取这20个特征点的坐标进行比对，通过数据比对分析该地下停车场三维模型数据精度满足相关测量规范要求。

3.5.2成果展示

利用三维激光扫描仪Trimble X7通过外业数据采集，点云处理和内业3ds Max建模处理获得如下数据模型。

4、结束语

本文以地下停车库为例，对三维激光扫描技术在城市地下空间建模中的应用进行了探讨，结合实际生产，详细说明了三维激光扫描技术应用于三维模型建立的流程，及成果质量的可靠性。较传统手段相比，有精度高、效率高、可靠性强的优势。三维模型展示了完整的地下空间三维信息，这些重要的基础信息为规划、管理、监测等提供真实、高精度数据来源。随着数据采集和后期数据数据处理技术的更新，三维激光扫描技术在今后的生产中会有更广泛的应用。

参考文献：

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作者简介：

吴磊，1984年2月，男，河南省驻马店市，工程师，本科，从事测绘地理信息技术及应用工作。