三维激光扫描技术在建筑物保护中的应用.docx

三维激光扫描技术的出现解决了原有测量技术的测量复杂以及原有技术的运行程序繁琐。三维激光扫描技术可以在非接触的情况下就能进行测量，可以全方面的获取数据，通过数据进行三维立体建模。本文介绍了现场数据收集的流程和需要注意的问题，以一个实际的建筑物为例，描述对其实际的测量步骤，通过不同的角度和距离进行测量，将测量的数据汇集成云数据，再将这些云数据通过3DMAX进行三维立体建模，完成了仿古钟楼点云数据的配准、降噪等处理工作和三维建模复原，实现了建模后图形与实际建筑物1:1比例的复原。关键词：三维激光扫描技术建筑立面测绘云数据三维立体建模ABSTRACTTheemergenceofthree-dimensionallaserscanningtechnologyhassolvedthecomplexmeasurementandcumbersomeoperationproceduresofexistingmeasurementtechnologies.3Dlaserscanningtechnologycanbeusedfornon-contactmeasurement,allowingforcomprehensivedataacquisitionand3Dmodelingthroughdata.Thisarticleintroducestheprocessofon-sitedatacollectionandtheissuesthatneedtobenoted.Takinganactualbuildingasanexample,itdescribestheactualmeasurementsteps.Differentanglesanddistancesaremeasured,andthemeasureddataiscollectedintoclouddata.Theseclouddataarethen3Dmodeledusing3DMAX,completingtheregistration,noisereduction,and3Dmodelingrestorationofthepointclouddataoftheantiqueclocktower,Implementeda1:1ratiorestorationofthemodeledgraphicstotheactualbuilding.Keywords：3Dlaserscanningtechnology;Buildingfacadesurveyingandmapping;Clouddata;3Dmodeling绪论1第一章论文研究的现状及内容31.1 国内外的研究现状31.1.1 国外研究的现状31.1.2 国内的研究现状31.2 研究内容4第二章三维激光扫描技术52.1 三维激光扫描技术简介52.2 三维激光扫描技术的原理和工作原理52.3 三维激光扫描技术的特点6第三章三维激光扫描技术在建筑物保护中的应用实际测量与分析123.1 现场勘测123.2 测量仪器133.3 数据采集133.4 数据采集注意事项143.5 点云数据处理153.6 误差分析16第四章对建筑物模型的构建184.1 建筑物测绘184.2 精度分析184.3 建筑物生成194.4 三维模型建立21结论24参考文献25致谢27绪论建筑物是人类智慧的结晶，是人类智慧的体现，是人类在现实生活中不可或缺的一部分，也是人类在生活中的一种需求，它是人类利用各种技术，按照自然的规律，以及不同的风俗特征，所创造出来的一种环境。很多这样的建筑是我们的祖先祖祖辈辈所建造的他们有着悠久的历史和文化价值。他们年代久远随着时间的推移和社会的发展，在现代城市化的建设中，许多建筑物都被破坏，有自然灾害所导致的同时也有人为所破坏的。随着时代的进步与发展，出现了许多的没有特色的建筑物，摩天大楼以及一些灯红酒绿的建筑物。除此之外还有许多建筑物因为战争所被破坏，例如1860八国联军入侵年火烧圆明园，还有自然灾害所摧毁的，例如2008年汶川大地震中，都江堰二王庙被破坏，建筑大量塌方，仅剩几座建筑物所残留，2011年广州黄浦区英德市英北古城，遭到特大暴雨袭击，暴雨中古城多处房屋毁灭。也有一些是人为的，比如在2002年11月，一名和尚在离开寺庙时，不小心将一根蜡烛吹落，引发了一场大火。寺庙建在崖壁上，火借风势迅速蔓延，最后这座以木质结构为主的悬空寺就这样被付之一炬，引起了世人的惋惜。2014年11月，山西太原伏龙寺发生了一场火灾，这场火灾导致大雄宝殿被焚毁，仅剩一处废墟。2010年在建设厦深高铁过程中厦门市海沧区东孚镇莲花村南山的宝莲宫被强行拆毁2008年汶川大地震摧毁了无数的建筑物，建筑物全部倒塌，震后只留下了一片废墟。通过上面的案例可以看出许多建筑物都被破坏，所以可以看出怎样利用现今先进的技术对历史久远的建筑物进行有效的信息收集和电子保存将其修复与翻新成为了目前城市改造的一大重要难题。时代的进步，不断的发展互联网在各行各业不断渗透与发展带给了人们无限的益处与便捷，同时建筑行业也迎来了互联网信息时代快速发展。在我们进行实际测量工作中，大部分时间我们都是通过全站仪、GNSS等手段从而获得目标点的3D信息，但是，当我们在研究大型复杂的建筑物时，大部分的3D信息都会被用到，如果我们还继续用原有的全站仪、GNSS来进行测量，那么就会需要有很多的周边布置，对于一些难测量地方或者狭小的地方测量更需要去设立小的站点进行测量，需要大量的测工作和工作量，这样就需要大量的时间测量，同时也会产生大量的误差，无法保证测量数据的精确。所以在当今社会快速的发展中一些老旧的技术和仪器被先进的技术所代替，先进的技术代替后，运用互联网技术的加持，一些预算系统的运算，这是现代化建筑的展现。运用先进的技术来进行古建筑物的保护和建筑物的维护与翻新是现当今一个城市快速发展的必然之路。因为城市的建筑是一个城市的外貌是城市的代表，是一个城市展示的窗口，城市的建筑物就是城市里的风景线，古老的建筑物更是一个城市的景区与代表，所以在城市的发展中对建筑物的保护更是必不可少的，同时对一些老建筑的翻新和保护也是必然的。三维数字城市就在其中起到了重要的角色。建筑物测量指测量表面的纹理，地形，顶端等地方的纹理。这些我们可以通过航空拍摄和车载三维机器进行测量，人工通过相机去拍摄网。而这些拍摄方法太费人工,时间和精力与资源。三维激光扫描技术这一先进技术的出现，就很好的解决了这些问题,三维激光扫描技术通过发射激光和接收激光就能快速的得到所需要的数据表面的纹理信息叫通过接收的数据后期处理就能进行三维立体建模。三维激光扫描技术的出现开启了建筑行业新的篇章，为测绘行业翻开了新的一页，三维激光扫描技术能快速的获取三维空间信息以及材料信息，解决了传统测量的不全面与数据丢失，但是还是要考虑各种因素影响，不同材料以及不同的角度测量和距离的远近是否会对其有影响从而影响我们后期对建筑物的测量影响我们对建筑的保护。第一章论文研究的现状及内容1 .x国内外的研究现状1.1.1 国外研究的现状三维激光扫描技术的诞生前夕，因为他的扫描快速，精度准确，实时性高，和非接触性等特点，以及其通过一个单点发射激光进行测量，得到了人们广泛的关注。在国外很多的学术学者与专家对其技术了解，了解三维激光扫描技术的工作原理和其算法、数据分析等各方面进行了深入研究，结合如今社会将三维激光扫描技术应用于考古，小件三维扫描复刻，大型建筑物扫描保护翻新，文物修复，数字化城市虚拟现实等方面。1993年，EChen等首次提出了IBMR技术，此项技术将照片得到的信息直接合成为新视点的图像，但是无法进行三维建模。1999年，美国斯坦福大学、华盛顿大学与意大利政府合作的“数字化米开朗基罗计划”，对著名艺术家米开朗基罗的“大卫”和一些大型的雕塑进行了数字化记录，为建筑物的数据获取，三维立体图形的建模等方面积累了不少的经验。2003年AlIen、Alejandro和Benjaminu°】利用地面三维激光扫描技术对圣皮埃尔大教堂进行了全面的三维重建利用地面三维激光扫描技术对圣皮埃尔大教针对三维建模耗时长，利用图像分割技术和特征提取的算法，自动的构建拓扑图，从而减少了三维构建模型的时间。三维激光扫描法,是90年代才兴起的高科技,最早的激光扫描法,是由瑞士OPTON公司，于1968年推出的，世界上最早的一款名为ELTA-14的全站仪。三维激光扫描仪的研制和应用始于1998年。以瑞士彳来卡CYRAX2400为代表。1.L2国内的研究现状国内的发展趋势，国内的研究现状相对于国外比较晚，研究的深度也比国外比较浅。但是在近些年国家相关部门和相关的学术界学者的高度重视与研究，已经将三维激光扫描技术应用与建筑行业同时也应用于建筑物的保护中，为城市的建设添砖加瓦贡献了力量。上海华测股份有限公司研发的无人机3D-LiDAR检测系统，具有质轻、便携、耐久性好、便于空中测量、数据精确、激光穿透力强等优点。上海华测有限公司的技术人员利用三维激光扫描技术对无锡的荡口古镇进行了全面扫描WL进行了三维构建及其纹理贴图。2006年，清华大学研窕所利用三维激光扫描仪扫描了五台山佛光寺东大殿、山西陵川西溪二仙庙1，对照了传统测绘手段对其进行优劣势分析，并利用平面图、剖面图与现状点云进行对比，检测建筑的变形情况，得出量化的残损变形评。综合以上可以发现，在我国，三维激光扫描技术已经在建筑行业中得到了应用，并且得到了很好的反响，但是没有进行深入的具体分析，没有提出自己研究的处理方法，因此，对传统方法进行改进，引入新的技术是一种必然的处理方法。1.2研究内容本论文以一栋建筑为实例，运用3D激光扫描技术，对其进行了表面形貌的测量,并建立了其三维模型，并绘制了相关的图形。其要点是：（1）本文对三维激光扫描器的工作原理，分类，与传统扫描器的对比，以及其适用领域。（2）在不同材质、不同角度、不同距离等条件下，对云图数据进行降噪对比，构建三维模型。（3）对比原来的测量方法，对其进行误差分析，以证实其在施工中的优势。第二章三维激光扫描技术2.1 三维激光扫描技术简介三维激光扫描作为一项新兴的测图技术，在与GPS技术相结合的基础上，使传统的测图方法向更为现代化和便捷的测图方法转变。三维激光扫描技术，也叫真实场景再现技术；本项目拟采用高速激光扫描技术，实现大面积、高分辨率、快速获取目标表面各点（x,y,z）坐标、反射率、（R,G,B）色等信息，为1:1真彩色点云的快速重建提供新的技术途径。三维激光扫描技术是20世纪90年代末激光在多个行业研究的一项重要发现。如今此项三维激光扫描技术已经在古代建筑物修复，建筑物维护上，土木工程，数字化城市和军事方面全面发展。为城市的发展与建设发挥了重要作用，但是在其他行业领域正在尝试（。2.2 三维激光扫描技术的原理和工作原理三维激光扫描技术是是由许多机器和系统组成，它由激光发射器，激光扫描仪，电源，笔记本电脑，和一些相关的软件系统和运算系统所组成，其中最重要的就是激光发射器激光扫描仪器，它是由发射器和接收器，接收装置、时间接收装置、通过马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、CCD相机和软件等构成呵。如图2.1所示。图2.1地面三维扫描系统三维激光扫描装置的工作原理是：通过一个激光发射机，将一个激光脉冲发射到一个被等待被测量的物体上，在激光镭射成功到达物体的外侧表面的时候，会发生漫反射，将带有信息的激光束回传到另外的一个接收仪器上，并将通过仪器发射的时间、接收仪器接收到信号的时间以及发射的时间都记录下来的频率可以算出距离记做S,同时扫描仪会自动记录激光束的水平角度值a、垂直角度值8。点P为被测点进行三维空间建系就可算出该点的三维坐标，见公式2.1和图2.2所示。(2.1)S=CX三Xp=Sxcos×sinaYp=Sxcos×sina图2.2空间点的三维几何关系2.3 三维激光扫描技术的特点三维激光扫描技术是以三维激光扫描为核心的用于现代化城市建筑物建设。不同的测量环境与需求和各种仪器的特点，所以不同的需求就用不同的测量仪器。现如今的仪器测量分为四种，空中三维激光扫描技术，车辆车载三维激光扫描技术，地面固定三维激光扫描系统，手持型镭射扫描仪。（1）航空三维激光扫描技术该系统又称之为机载LiDAR系统,主要是由激光扫描仪、飞行器、飞行惯导系统、卫星定位系统、成像装置、数据采集器、记录器、计算机及其配套的处理软件和电源系统构成H叫GPS定位装置为扫描仪提供可靠的三维坐标信息，飞行惯导系统提供了飞机的姿态参数，然后对测区进行空对地式的扫描，以得到扫描中心到扫描目标表面的准确距离，最后通过内业计算获得采样点的各种数据信息。机载三维激光扫描系统见下图2.3和2.4所不。图2.3机载三维激光扫描技术示意图图2.4机载三维激光扫描技术（2）车辆车载三维激光扫描技术车辆车载三维激光扫描技术是将三维激光扫描设备、卫星定位模块、惯性测量装置、里程计、360度全景相机、总成控制模块和高性能板卡计算机集成并封装于汽车的刚性平台之上。汽车在快速行进过程中，车上放的扫描仪器可以得到定位的数据。汽车、三维激光扫描仪、数据处理软件、这三部分共同组成了车辆载三维激光扫描技术。车载三维激光扫描技术示意图如图2.5所示。图2.5车载三维激光扫描技术（3）地面固定三维激光扫描技术地面固定三维激光扫描技术的外观与传统的测量仪器全站仪所相似，它是由三维激光扫描仪，数码相机，配套的软件和电源系统组成UL在这一技术出现之前，传统的测量方法都是采用全站仪，它只能对一个定点进行三维定位，而三维激光扫描则是一种新的测量方法，它可以对三维定位进行精确定位，并对三维定位进行精确定位，从而获得更多的数据。地面三维激光扫描技术示意图如图2.6所示。图2.6地面三维激光扫描技术（4）手持型激光扫描仪手持型激光扫描仪是一款小型，方便与携带、操作简单、测量精度高的一个激光扫描仪器1网，但是他也有他的缺点，他最大的缺点就是测量程太短了，方便用于小型物体的扫描多用于文物保护对文物进行扫描。手持型三维激光扫描系统示意图如图2.7所示。图2.7手持型三维激光扫描系统与传统的全站仪、单点测量等方法获得的信息相比，地面三维激光扫描可以直接采集被测对象的三维空间坐标，并将其转化为点云，从而实现对被测对象的线、面、以及多类曲面的多源多维数据的快速获取。三维激光扫描技术具有如下特征：（1）非接触性。与传统的的测量手段有很大的差异，不用去近距离接触，三维激光扫描技术也不需要棱镜等辅助的一些工具，不需要与被测物体接触就可以收集到大量信息，所以三维激光扫描技术在一些场地危险或者一些珍贵的文物需要小心无法接触测量的行业广泛应用，这样即保证了工作人员的安全同时一些文物也会被得到保护。（2）计算速度快。地基静止式3D激光扫描能够迅速采集点云数据，大部分激光扫描器在一秒钟内可达百万级以上。（3）首创精神。该方法采用了一种新的方法，即利用一台三维光机对目标进行探测，并对目标进行回波处理，得到目标点的三维坐标。（4）高密度。扫描仪可以对物体表面进行高密度的采集，并且可以通过调整扫描参数的分辨率，来调整点与点之间的距离，甚至可以达到亚毫米级。（5）具有较高的准确度。精密的传感器使得该扫描仪具有很高的测量精度和很高的光脉冲角精度，极大地提升了单点测量的精度，在测量领域中，长距离可达毫米级，短距离可达亚毫米级。（6）实现系统的自动化与数字化。只需预先设定好仪器的某些扫描参数，便可在工作时一按即可开始扫描。（7）具有良好的适应能力。三维激光扫描仪是一种非常实用的设备，而且它对照明条件的要求很低，所以即便是在明亮的环境中，它也可以在黑暗中使用，甚至有些扫描仪还可以使用防爆设备，所以即便是在最恶劣的环境中，它也可以使用。依照三维激光扫描的基本工作原理，所以将三维激光扫描分为三大类：脉冲镭射测距法、相位镭射测距法、激光三角测距法。这些方法的特点如下：（1）脉冲测距法。脉冲测距法又称做飞行时间差法，主要方法是在进行扫描时通过脉冲发射器按照一定的时间周期向被测物体发射单点的激光。通过测量光束从发射仪器中发出的时间与接收回仪器的时间之差，便可推算出光束的飞行时间及测量对象与扫描仪之间的距离。本方案所采用的激光光源的射程可达数百米至数公里，适合长距离、超长距离的测量。脉冲测距法如图2.8所示。图2.8脉冲测距法（2）相位测距法。这种方法可以连续发射可调的激光，通过测量回波信号的相位差，根据光场的相干性，测量目标到目标的距离。因为使用的是连续的光源，所以它的能量比较低，所以它的测量距离很短，通常只有100米以内，适合于中长距离的测量。扫描式测量仪的测量精度受到三方面的影响，即：一是相位比较器的精度；二是调制信号的频率；三是调制信号的频率。相位测距法的示意图如图2.9所示。图2.9相位测距法激光三角测距法。此项是通过三角型的三角几何关系来算出激光发射装置与被测物体的距离12叫根据入射角度、回波信号反射角度和已知基线长度，利用三点的三角关系，得到了目标到目标的距离。想要将目标的所有信息都收集起来，这台机器只能在数米到几十米的范围内进行扫描。激光三角测距法如图2.10所示。由于本论文所用到的是地表的3D激光扫描，因此着重对这种方法进行了阐述。从探测距离上看，地基三维激光扫描设备可分为近程、中程和远程三种类型。短程测量法的测量精度一般在公尺以下，多用于小尺寸目标的扫描及精细微小部件的建模。中等距离的扫描通常从Im到100om,这种扫描方式目前是主要的，通常在更大的工程项目中使用。所谓的远程探测，指的是一千米以上的范围，一般都是用在大型的工程上。第三章三维激光扫描技术在建筑物保护中的应用实际测量与分析3.1 现场勘测地面三维激光扫描技术在测量之前，与传统的常规测量方法相同，必须要全面细致的了解待测建筑物的所处位置，对其周围的环境有所了解】，了解待测物体的大小和周围环境遮蔽情况，确定测量站的位置和数量，合理的布置测量站提前观察物体表面的纹理特征，通过数码相机拍摄记录待测物的影像图片。多性能优秀的光子晶体光纤，当时的期刊也报道了其团队的科研成果。3.2 测量仪器根据实地考察的结果，选择了RieglVZ-100O型三维激光扫描仪，进行了资料的采集。该扫描仪拥有RiegI独有的多棱镜快速旋转扫描技术，通过激光脉冲测距原理获取点云数据，激光发射频率可达300000点/秒，扫描范围为2.5米至1400米，扫描精度为5mm,扫描视角范围为100升360。并用笔记本电脑和IPAD进行操控俏】，具有轻便、坚固耐用等优点。VZ-I（MM）还配备了一台高精度、低失真的双反射式数字相机，它可以在采集点云的同时获得目标物体的高分辨图像。相关的参数要符合表3-1所示。表3-1RiegIVZ-IOoO三维激光扫描仪的扫描参数扫描参数垂直扫描（线扫描）水平扫描（面扫描）扫描角度范围100o(+60°-40°)0。360。扫描机制原理旋转反射棱镜旋转激光头扫描速度3线/秒120线/秒0度/秒60度/秒角度频率（垂直，水平）0.0024。0.288。0.0024o-0.5o角度分辨率优于0.005°优于0.00050在进行此数据采集的时候所需要的仪器和设备包括：RieglVZ-100O三维激光扫描仪器，两块电池用来备用和仪器充电器，一个三脚架，一套和仪器匹配的单反相机，一台很高分辨率的数码相机，一个笔记本电脑。在进行使用仪器扫描前，首先要做的就是对仪器进行各种的全面的检测，以此来确保使用的仪器没有任何的损坏与损坏，否则到时候到了现场，怕仪器就会失效，无法正常的进行运行工作。还要注意到的就是电池有没有充好，以免在扫描的时候没有充足的电从而会造成数据的遗失和丢失，要注意相机的内存条，是否足够用来储存，还需要注意的就是三脚架有没有破损损坏，以此来避免仪器是否会发生倾斜，这样才能更大程度上的保证了仪器的安全。测量测站布置示意图如图3.1所示。用全站仪和GPS进行控制测量，测量点的位置应该在国家大地标坐标系统中，这样方便在后续的数据处理中可以将扫描的三维坐标系统转换成国家大地标系统】，减少数据的影响根据CH/Z3017-2015地面三维激光扫描作业规程中规定，控制测量应符合下表3-2<>表3-2控制测量技术要求点云精度平面控制高程控制二等二级导线、二级GNSS静态四等水准三等三级导线、三级GNSS静态四等水准四等图根导线、GNSS静态或动态四等水准导线测量、GNSS测量和水准作业应符合CJJ/T8、GB50026中的规定。由于立面比较复杂，车辆比较多，遮挡物比较多所以拟定了两种方案：第一种是利用GPS来获得测量点及后视点的位置，三维激光扫描仪具有GPS的功能，在扫描仪上可以与扫描仪同步完成，从而提高了扫描仪的工作效率，节约了大量的人工。第二种：当GPS华北地区工作或连接不上时，这样就得用全站仪进行大范围面积交会方式进行扫描大地坐标。扫描站选好后将三脚架固定好防止仪器倒，将三脚架放一个相对于水平的平面，不用具体调制水平，仪器会自动讲仪器调制水平不用人为调制。3.3 数据采集以前文所提出的方案为基础，接下来展开对现场的实际测量，对于不同的种类，类型的仪器，在实际操作过程中，其操作方法也一样的会存在一部分差异。根据扫描仪器对应介绍的扫描程序：在扫描时，使用者应该先将仪器放在设定好的固定位置，但是如果很不平坦的话，则需要将工作台移到几乎很平坦的位置来进行扫描。利用笔记本上与RieglVZ-100O扫描仪器相匹配的RiSCANPRO软件，对我们要测量目标展开数据采集。首先，将分辨率设定为IOmm,进行全面景扫描，以此来确定目标物所在的区域的范围和固定的方位。接下来，按照这一扫描要求，将分辨率设定为2毫米，选择了一栋建筑，进行了一次高精度的扫描，并获得了点云。对点云进行全面检查，发现遗漏或不符合要求的数据，立即补充测量，如果没有，则对点云进行命名，并将其保存，然后继续对下一个测量站点进行扫描，直到全部测量完毕。表33RiSCANPRO软件操作界面等级一等二等三等四等像元大小3mmIOmm25mm50mm（1）纹理影像的像元素要符合表格3-3规定：（2）要选择一个合适的拍摄角度，确保被拍摄对象不被其他物体遮挡，也不能选择光线过强的位置，否则太阳光会影响摄影效果。（3）要选择适当的暴光度，使相机与被测对象保持水平垂直，不能有过大的倾斜，以获得最佳的图像效果。（4）拍摄时不要整体拍摄，要将建筑物分为几部分分别拍摄，这样才能获取到完整的建筑物信息，要保证相邻的两部分拍摄时要重叠，并且保证重叠部分不小于30%o（5）此次扫描共设2个扫描站，在相邻的地方要有重合的地方，用照相机拍下6幅图片。3.4 数据采集注意事项电云资料能够真实地反映出地物的纹理、结构等特性，但受外部环境因素的影响，资料的准确性也会受到一定的影响。因为扫描仪是一种高精度的仪器，所以必须将它放置在适当的地方，这样才能既确保绘制者的安全，又确保仪器的安全，同时还要防止因为周围环境的影响，比如行人的行走，地面的摇晃，从而导致仪器的摇晃，从而导致数据的错误。在测量时要避免在室外高温情况下，如果仪器温度过高就需要帮助仪器物理降温,避免高温影响扫描的精度。在数据容量及其它条件允许的前提下，在保证测量结果几何精度的同时，也要保证测量结果的清晰度。点云密度越大，其测量结果的准确度越高，其测量结果的分辨率也越高，但其测量结果的准确度也越低。3.5 点云数据处理三维激光扫描仪所获得的点云数据数量庞大，且有一些冗余的数据，要想生成各种类型的结果，就必须对所获得的点云数据进行处理。在图3.2中描述了点云数据的处理过程。本论文选用了GeOmagiC公司的一款名为GeOmagiCStUdiO2012的软件，对点云数据进行了处理。图3.2数据处理流程图与摄像机相连后，还能获得被测量对象的彩色信息。由上述要素组成的三维点云被称作“点云”，其中包括被测物体的三维形貌、颜色、反射光强等信息。点云具有以下特征：数据规模巨大，从一个站点得到的点云中可以包含几十万个以及十万以上的点；精确度非常的高，扫描时我们可以把分辨率设定为1毫米；其中含有十分丰富的信息，包括反射光学等特性，如光亮的强度，色彩等。根据点云的分布的差异，可将点云数据分为以下四类：扫描线式点云数据：点云数据呈线性连接；阵列式点云数据：具有一定规律有序排列的点云数据【24，格网式点云数据：点云数据呈三角网相互有序连接；散乱式点云数据：点云数据分布毫无规律可循。下图3.3所示。(c)格网式点公4MF"X4<'*y 8 a：(b)阵列式点石(d)散乱式点石图3.3点云数据类别不同扫描仪输出的点云格式也不同，每种仪器都有相应的格式，如RiegI仪器的二进制3DD格式，存储三维空间数据库，有时还会附加时间标签，并且还可以通过自带的RiScanLib库可以把3DD文件解码以实用于不同的平台；Leica仪器可以把数据导出成常用的PTX、PTZ、ASCIL3DD、DXF等格式文件。3.6 误差分析在使用3D激光扫描设备进行点云数据采集及数据处理时，由于设备自身、人、环境等因素的影响，往往会造成建模结果不够精确。(1)系统的自身会存在结构导致的误差：在测量并且获取到数据时，由于仪器自身结构的原因，扫描仪器在使用时候没有正确的校正等因素所引起的扫描产生误差，被称为系统产生误差。可用相关得公式进行校正。(2)测量误差：扫描系统最终所形成的数据产品，它的精度是否满足实际的应用所要求达到的标准，主要取决于点云数据的精度和模型化的精度。(3)被测物体反射而造成的倾斜对其影响：由一次所得到的反射时间，根据被测物体表面的法向和入射光的角度，计算出被测物体的距离。(4)对对象的反射属性的影响：在一般的通粗条件下，对象的反射属性受对象的材料、表面颜色和粗糙度的影响。由于被测对象的反射特征不同，被测对象所反射的光强也不相同，所以被测对象的反射特征有所不同，将对被测对象的距离造成偏差。（5）外部环境的影响：外部因素如湿度、风的大小等都会对测量结果产生影响。所以在进行三维激光扫描数据采集时要选择合适的环境，以减少外部环境带来的误差。（6）座标匹配误差：座标匹配就是在两个相邻的测站上，选择三个相同名字的点，用相同名字的点的座标来计算转动和移动的参数，这样就可以实现两个测站之间的座标转换。在资料处理中，最常见的误差是座标对位误差。在进行3D激光扫描的时候,一般都是将被包围的物体分成不同的区域，而不同的区域会有一定的重叠。当一定要用点云来校正同名点时，要尽可能地选择分散的点云，要避免太集中的点云，而且要在三个以上，这样才能进行平差，减少点的位置误差。噪音点不仅会影响到3D模型的准确性，还会影响到数据的处理效率，所以需要对点云数据中的噪音进行去除，以确保以后3D模型的准确性。其中，噪声点的来源主要有：行人过街、电力线路、城市绿化、空气中的尘埃粒子和仪器自身产生的粗差点云。对于这些噪音点，通常有如下的处理方法：（1）对某些可以被肉眼直接观测到的数据量较大的点云，可以通过点云处理软件的人机交互式操作，人工选择并删除；（2）对大气中存在的粉尘，可通过“采样”的方式进行分离；（3）由于剩下的噪音大部分都是非均匀分布的，而且与主体建筑的距离很近，所以人工去噪的效率很低，去噪的效果也很差，所以，我们可以在软件中设置“去噪”的功能，去噪这类噪音。由于扫描仪的时间是在交通高峰时段，所以很少有行人和车辆，所以所产生的噪音主要是树木和空气中的尘埃。在将三个站点的点云输入到软件后，由于发现点云中含有噪音，对点云匹配的准确性有很大的影响，因此，我们首先在软件中的“选择”功能中，选取了“非连接项”、“体外弧点”等选项，对这些噪音进行了初步的去除。未连通点是指根据其与目标点云之间的距离，将其与目标点云之间不连通的噪声点剔除；离体圆弧点云就是将离体点云大部分距离过大的噪声点去除。第四章对建筑物模型的构建4.1 建筑物测绘目前常用的建筑测绘方法主要有以下三种31：1.传统测绘方法：利用人工测量或者传统的测绘仪器来进行测绘，这种方法虽然操作简便，但是非常消耗人力和物力，不能满足高精度测绘的需要；2.近距离照相测量法：采用照相测量法进行测绘，既快速又高效，但处理过程僵硬，灵活性差，极易受到周围环境的影响。3.用三维雷射扫描法进行测量:雷射扫描法可获得建筑的特性资料,经过后处理可获得建筑的2D立面图，三维线划图及3D建模。在建筑物测绘工作中，要辨证地看待建筑物的建造误差与历史变动；必须对施工过程进行真实的测量，避免主观性的设计；有错但无错；资料的记载必须是真资料，而且要完整、准确，图画的表述要清晰、清楚。本项目拟采用先对点云数据进行预处理，再对其进行建模，在此基础上，对建筑物的线框图进行提取，再以线框图和影像照片为基础，反演出可以反映建筑物真实状态的3D模型，并将其用于日照光照等其他方面，从而方便建筑物测量。测量技术路线图如图4.1所示。图4.1技术路线图4.2 精度分析为了检验3D模型资料的正确性，在Geomagicstudio2012中，以相同的特征线进行现场实测，并与实测资料作比较。现场实测资料采用钢尺测量，经多次测量后，取平均值；利用该软件提供的“测距”函数，测量出了两个点之间的距离。此次测量的数据包括了建筑物的长度，大门的宽度和高度，以及一楼的层高。具体数据如下表4.1所示：表4-1点位精度比较分析（单位：m）钢尺量测软件量测两者差值建筑物的长45.25742.265-0.007门宽2.1752.1690.006门高2.7532.7500.003一层楼高3.4123.4050.007从对表4-1的分析可以看出用软件模拟的方法测定的数据和现场测定的数据有很小的差异，最大的差异为7毫米，最小的差异为3毫米。从这一点可以看到，通过三维激光扫描技术建立的点云模型，可以真实、准确地展示建筑物表面的三维信息，并且具有较高的精度，能够更好地为建设行业的有关工作提供数据上的支撑，从而加快工作进度，极大地提升工作效率。4.3 建筑物生成建筑物立面图主要包含建筑物表面的外貌和外部结构信息、建筑各部分垂直方向的高度，外部装饰造型等等。以点云为原始数据，进行立面图的绘制，其精度与点云精度基本一致，且立面图比例为Iil1261O该方法能够更加准确地反映建筑表面的纹理、构造等特性。然而，由于CAD系统中的数据量非常庞大，而CAD系统中存储的数据又非常有限，因此，在进行三维绘图时，需要先对点云数据进行切割，再使用3DMAX来绘制。在点云数据的基础上，生成立体图主要有两种方式：（1）基于3D模型的建筑立面元素的提取这种方法是用计算机对点、线、面等特征元素进行提取，之后再利用3DMAX将提取的元素。施工现场要做立面图，而施工现场要做的工作效率很低。（2） 一种新的生成曲面在此基础上，利用GeOmagiC软件对点云模型进行了平面投射，获得了投射后的点云数据，然后对其进行了抽取和绘制。这种方法不仅可以有效地降低点云的冗余对绘制效率的影响，而且可以有效地降低绘制过程中的冗余点对绘制结果的影响。这一部分是在第3章所得到的点云资料的基础上，按照建筑坐标系统中的总体点云资料，并与立面相片、地形图等相结合，使用3DMAX软件完成立面图的生成。如图4.2所示。图4.2建筑物示意图3D建模是3D激光扫描仪中最主要的一种，它可以对建筑物进行3D建模，从而使人们产生一种沉浸式的感觉。三维模型的构建，不但对构建三维城市工作起到了重要的作用，还能为城市的管理和规划带来很大的帮助。比如，它可以为人们提供可视化的属性查询，让人们足不出户就能对建筑进行研究和分析。三维建模的方法主要包括:利用点云数据进行3D建模;利用立面图反演3D建模；模型利用点云数据进行三维实体建模，可以分为如下方法：（1）几何建模通过建筑物相邻两个面之间相交的轮廓线构成线框模型或者实体模型I。主要适用于待测建筑物表面规则的时，对于不规则的建筑物则难以使用该方法。（2）三角格网建模将点云转换成一个三角形网格，根据点云间的拓扑关系，实现了三维建模。本方法适用于各种建筑物模型，特别是对于复杂精细的建筑物模型，其表面效果非常好，但存在着数据量大，对硬件的要求高等问题。（3）曲面建模在此基础上，提出了一种基于点云数据的三维建模方法，该方法将点云数据转换成曲线，并将其转换成曲面，从而实现了三维建模。此法对绝大部分具有曲线形状的建筑都具有较好的适用性。4.4三维模型建立为了更接近于真实的再现建筑的原始面貌，通过对建筑立面的图像和图像进行对比，可以清晰的反演出建筑的三维实体模型，这样就能更好的再现建筑的表层结构。(1)建立三维模型主体基本模型的建立：首先，将rep格式点云数据导入3DMAX中，旋转至主视图，根据点云数据及地形图勾绘出的形状，通过“挤出”命令将二维面转化为三维实体模型；其次，旋转至顶视图，根据平面图利用“可编辑多边形”命令改变模型形状12叫最后，重复上述两步，直至每个视图观看都与点云数据尺寸信息吻合。(2)纹理贴图纹理是一种一般意义上的外观特性，它本质上是一种“映射”，它的作用是将纹理以UV坐标系的方式映射到三维空间中。材料是最基本的，而纹理则是最基本的，这样才能更好的还原出3D模型。映射过程的示意图如图4.3所示。图4.3映射过程的示意图以上所述的模型仅为素模，尽管具有准确的尺寸信息，但用户却不能再与真实的建筑物产生直接的关系，所以，本文将会对一座复古钟楼大楼进行外部纹理贴图，通过色彩来实现还原，这是外部纹理贴图所在三维建模的模型中的很大的作用。本文将一座立沿复古钟楼作为一个例子，通过实地的调研时来拍摄的照片，使用3DMAX进行纹理贴图，图为建筑物纹理贴图然后是一张详细的设计图：(1)首先使用3DMAX中UV贴图函数对墙壁的模型材料进行渲染；(2)一些材料的一些细节，需要用到实景拍摄，而实景拍摄又很难做到纵向拍摄，因此利用了另一种方式。通过对PhOtoShOP的变形，扭曲，旋转来获得正射的效果。(3)使用3DMAX中的“UV贴图”函数绘制出了纹理的细部贴图。aPLOic4%图4.4建筑物三维模型全局Q三.waa>BIJiiri fC SF U*I SU 0> 15j nl J ” T ST UeW Mm+ g: ,i+C.< 0Tj%:'(Ti 'SJOB.<i*, -aPLeIAGe。彘图4.5建筑物上方图片图4.6建筑物细致图本项目拟以一座仿古钟楼为研究对象，采用3D激光扫描技术，获取该建筑的表层