张远智胡广洋
清华大学土木工程系北京 100871徕卡公司北京办事处, 北京 100031
Capture of Urban Detailed Spacial 3D Data by Laser Scanning System
Zhang Yuan-zhi Hu Guang-yang
Department of Civil Engineering Beijing Representative Office
Tsinghua University Leica Geosystems AG.
[摘要] 本文根据三维激光扫描系统的工作原理和流程分析了该系统在获取城市空间精细
三维数据的应用领域同时用应用实例描述了三维建模软件在城市三维景观保存与重建中的工作原理和方法
[Abstract] Based on the principle and flow of 3D laser scanning system, this article analyzes the applications for capture of urban detailed special data. And with examples, the principle and methods of 3D modeling software in application for preservation and rebuild of urban sight are described particularly.
[关键词] 激光扫描激光测距三维激光扫描系统成图系统三维建模
[Key words] laser scanning, distance measuring by laser, 3D laser scanning system, mapping system, 3D modeling
激光扫描技术的应用非常广泛如用于防伪的激光全息扫描用于医疗外科诊断的激耐高温盘根
光显微扫描用于食品品质检测的激光检测扫描等不同的应用采用了不同的激光扫描手段和方法本文所述的激光扫描是指基于近景扫描获取物体三维景观模型的一种新的激光测量技术 三维激光扫描系统也称为三维激光成图系统)3(主要由三维激光扫描仪和系统软件组成其工作目标就是快速方便准确地获取近距离静态物体的空间精细三维坐标建立三维立体模型以便对模型进行进一步的分析数据处理和应用其应用范围与近景摄影测量大致相同但激光扫描系统具有精度高测量方式更加灵活方便的特点因此三维激光扫描可广泛应用于如下的一些方面1建筑物构筑物的三维建模如房屋亭台庙宇 塔城堡教堂桥梁高架桥立交桥道路海上石油平台炼油厂管道等2小范围的数字地面模型或高程模型如高尔夫球场摩托车障碍赛赛车场岩壁等3独立物体的三维模型如飞机轮船汽车塑像等4自然地貌的三维模型如岩洞等
一激光扫描原理
采用激光进行距离测量已有三十余年的历史而自动控制技术的发展使三维激光扫描最终成为现实三维激光扫描仪的工作过程实际上就是一个不断重复的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一幅实际的点云图如图1所示
图1带有反光强度彩
匹配的原始扫描点云图地
点为清华大学二校门图
片来源Leica Geosystems
三维激光扫描仪所得到的原始观测数据主要是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根据脉冲激光传播的时间而计算得到的仪器到扫描点的距离值3扫描点的反射强度等前两种数据用来计算扫描点的三维坐标值扫描点的反射强度则用来给反射点匹配颜
脉冲激光测距的原理图图2所示扫描仪的发射器通过激光二极管向物体发射近红外波长的激光束激光经过目标物体的漫反射部分反射信号被接收器接收通过测量激光在仪器和目标物体表面的往返时间计算仪器和点间的距离关于脉冲激光工作原理的更详细的信息以及不同目标物体对脉冲激光的反射特性等等见参考文献4
图2脉冲激光测距原理图
二三维模型的生成受体拮抗剂实验方法
要将经过扫描得到的点云转化为通常意义上的三维模型一般来说系统软件至少应该
具备以下的几个条件1常用三维模型组件如柱体球体管状体工字钢等立体几何
图形2与模型组件相对应的点云匹配算法3几何体表面TIN多边形算法前两个条件主要是用来满足规则几何体的建模需求而最后一个条件则是用来满足不规则几何体的建模需求声纳探鱼器
系统软件提供一个称为自动分段处理的工具auto-segmentation tools它容许从扫描
的点云图中抽取出一部分点这部分点往往共同组成一个物体或物体的一部分以进行自
动匹配处理在这一过程中通过手工的方式抽取物体的表面轮廓使得匹配后的结果其表达正确操作上易于把握但这种自动匹配方式的处理只适用于那些与软件中所包含的常用几何形体相一致的目标实体组件对于那些不能分解为常用几何形体的目标实体组成部分则是无效的此时需要在相应的点集中构造TIN多边形以模拟不规则的表面图3中米开朗琪罗的大卫雕像的计算机成图是不规则形体建模的典型案例
如图3所示的米开朗琪罗的大卫雕像1999年在意大利的佛罗伦萨一个来自斯坦
福大学和华盛顿大学的30人小组使用三维激
光扫描系统对这座具有历史意义的雕像进行了
测量除了激光扫描外还拍摄了7000幅的彩
数码相片，用于渲染贴图为了精确地得到雕
像的每个细节目标点的距离测量精度达到
0.25mm尽管要求的分辨率是1mm部分地
方采用数字转换的手段分辨率甚至达到
0.29mm大卫像高517cm其表面积为19平
方米重5.8吨为了能够扫描到雕像的最高
处还特制了机动起重架最终的大卫模型包
含了20亿个多边形和7000幅彩图片扫描
工作花费超过1000工时而处理扫描的工作则
超过了1.5倍的扫描工时
图3米开朗琪罗的大卫雕像的三维
计算机成图图片来源斯坦福大学
三坐标系与坐标登记
在任意一幅点云图中扫描点间的相对位置关系是正确的而不同点云图间点的相对位置关系的正确与否则取决于它们是否处于同一个坐标系下大多数情况下一幅扫描点云图无法建立物体的整个模型因此如何将多幅点云图精确地装配在一起处于同一个坐标系下是要解决的问题目前采用的方法称之为坐标纠正Registration
所谓坐标纠正就是在扫描区域中设置控制点或控制标靶从而使得相邻的扫描点云
贝克曼梁法
图上有三个以上的同名控制点或控制标靶通过控制点的强制符合可以将相邻的扫描点云图统一到同一个坐标系下事实上不同空间直角坐标系中其需要解决的坐标转换参数共有七个就是三个平移参数三个旋转参数及一个尺度参数
坐标纠正的基本方法有三种1配对方式Pairwise Registration2全局方式Global Registration3绝对方式World Registration前两种方式都属于相对方式它是以某一幅扫描图的坐标系为基准其它扫描图的坐标系都转换到该扫描图的坐标系下这两种方式的共同表现是在野外扫描的过程中所设置的控制点或标靶在扫描前都没有观测其坐标值而第三种方式则在扫描前控制点的坐标值某个被定义的公用坐标系非仪器坐标系已经被测量在处理扫描数据时所有的扫描图都需要转换到控制点所在的坐标系中前两种方法的区别在于配对方式只考虑相邻扫描图间的坐标转换而不考虑转换误差传播的问
题而全局方式则将扫描图中的控制点组成一个闭合环从而可以有效地防止坐标转换误差的积累一般说来前两种方式的处理其相邻扫描图间往往需有部分重叠而最后一种方式的处理则不一定需要扫描图间的重叠
当需要将目标实体的模型坐标纳入某个特定的坐标系中时也常常将全局纠正方式和绝对纠正方式组合起来进行使用从而可以综合两者的优点
四应用举例
2001年3月清华大学土木系和徕卡测量系统公司的技术人员采用Cyra三维激光扫描系统对清华大学校内的建筑物二校门进行了三维激光扫描测量并建立了二校门的三维模
型如图4所示以下图片都来源于徕卡公司
Cyra三维激光扫描系统由Cyrax 2500激光扫描仪和Cyclone 3.0系统软件组成扫描仪
乙酸正丁酯的制备±扫描速率1列/秒当采样率为1000最大测距范围为200米单点位置测量精度为6mm
点/列时或2列/秒当采样率为200点/列时等扫描密度每行每列最多可达到1000点在50米处行列中的最小点距为0.25mm
图4清华大学二校门三维模型前视图
1扫描前的准备工作
针对需要扫描的目标确定扫描的测站数以及测站位置以及控制标靶的个数和位置
在本项目中测站数为4标靶个数为6测站分别位于建筑物的前左前右后左后右距建筑物约10处标靶的位置见图5
2扫描
在选定的测站上架设扫描仪调整好扫描仪面对的方向和倾角将扫描仪和笔记本电
脑用网线连接好打开扫描仪的电源开关
扫描仪的扫描过程由Cyclone软件控制通过集成的数码相机得到扫描对象的影像在影像图上选择扫描区域根据所设置的扫描参数如行数列数扫描分辨率等扫描仪自动进行扫描
3三维建模
通过软件提供的坐标登记功能将各测站测得的点云数据拼合为一个完整的建筑
物点云模型利用自动分段处理功能抽取功能TIN模型构造功能等功能将建筑物的细部模型化并最终完成整个建筑物的建模
消音片
图5控制标靶位置图
4应用处理
根据实际工作的应用需要由模型可以生成断面图投影图等值线图等并可将模
型以AutoCAD和MicroStation的格式输出此外也可以对模型进行渲染以得到模型的晕渲图如图6所示
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