摘要：利用地面激光三维扫描仪进行数据采集处理，获取场馆尤其是需要检测的轴线的柱子的3D点云，采用最小二乘拟合平面，同时采用RANSAC算法拟合柱子边线，通过与原有高精度控制网测量对比，提出了三维激光扫描对大型场馆轴线检测的关键技术流程，实现了高精度的比对分析，为大型场馆的轴线检测提供了先进的方法，具有较大的借鉴及实用价值。分析得出全站仪所测柱子中心线和扫描仪所的中心轴线对于大型场馆是基本一致的。研究表明，激光扫描点云经过拟合等处理后能够截取任意z维度的中心点从而更好的构造出场馆的柱子连线的中轴线。
Abstract: using the ground laser 3D scanner for data acquisition and processing, the 3D point cloud of the stadium, especially the axis of the need to be detected, is obtained. The plane is fitted by the least square method, and the column edge line is fitted by RANSAC algorithm. By comparing with the original high-precision control network measurement, the key technical process of 3D laser scanning for the axis detection of large-scale venues is proposed The high-precision comparative analysis provides an advanced method for the axis detection of large stadiums and has great reference and practical value. The results show that the center line of the column measured by total station is basically consistent with that of the scanner for large venues. The results show that the laser scanning point cloud can intercept the center point of any Z dimension after fitting and other processing, so as to better construct the central axis of the column line of the pavilion.
大型老旧建筑场馆改造中常会遇到需要保留原始结构柱的情况，需要实际量测出柱子的大小以及柱子准确的的中心轴线的情况，以便于改造设计和施工。传统的测量方式是利用全站仪免棱镜测量特征点位然后成图出柱子的大小位置和轴线[1]。该方法速度慢，直观性低，而且对于柱子所连起来的轴线，由于前期的施工误差，造成柱子整体的偏移或者错位等，并不是完全根据对应柱子面的中心点连接而成的，需要求出单个柱子的中心从而对应双柱进行连线求出轴线，采用全站仪测量无法做到准确的采集对应的特征点，无法整体把握柱体结构从而无法求取准确的大小和中心轴线。
三维激光扫描技术是近几年来测绘技术上的一次全新突破，是一项高速发展并且走向成熟的高新技术[2]。它不同于传统的测量方法，三维激光扫描利用激光脉冲对被测物表面进行扫描从而获得其表面特征。通过内置的测距模块和测角模块分别控制输出激光脉冲的斜距、水平角、天顶距进行量测，通过这一技术获得的点数据量比较大并且比较密集，称之为点云。相对于传统测量技术，三维激光扫描技术具有许多比较明显的优点，它可以全天候工作、数据获取的速度快、数据精度高、自动化程度高。利用三维激光扫描获取的数据进行建模，可以高度还原被测物的表面特征细节，使拟合的面和模型能够真实的还原所采集的特征数据。
1、方案介绍
(1)传统的大型老旧建筑场馆改造轴线检测方案
传统的测量方法使用全站仪直接测量柱子边缘处的若干特征点的三维坐标，经过后期内业处理后，可以提取柱面的中心点，然后不同柱面中心点连线形成轴线，与原始的设计值对比可以求出其偏差值。
(2)基于地面三维激光扫描仪技术的轴线检测方案
①采用的软硬件
1)地面相位式激光三维扫描仪、数码相机等用于产生高密度点云的设备。
2)点云拼接去噪软件、点云导入cad或生成正射深度图软件等 、Matlab等用于点云拼接，去噪拟合，建模等软件。
②采用的技术路线
通过实验，提出了地面三维激光扫描技术在大型场馆轴线的检测中应用的关键技术流程。
采用地面激光三维扫描仪对有柱场馆进行高精度的三维扫描，获取其完整的点云数据，由于扫描仪FOV和外部环境的限制，其在单独视角下只能采集到柱子表面的一部分数据，因此需要进行多站扫描，并将不同站下的数据转换到统一坐标系下进行点云的配准融合、由于被检测目标可能凸凹不平而且其边缘会出现大量的噪声点会出现粗差因此要进行点云的去噪、因为从事外业采集时候为了避免“少跑路”总是尽可能多的采集数据，多数情况下，会造成海量数据，但是用高密度海量数据区表达某些实体模型不仅会影响处理效率而且特征的有效判断以及模型的构建质量等也会受到影响，因此在实际检测中通常根据不同的精度需要从原始点云中抽取足够的有用信息，即点云的压缩。
柱子中心轴线的检测方法，对场馆中所有柱子和站式扫描仪一站能扫描到的地方进行分析设计，尽可能不同测站有至少4个不同高度，不共圆的同名控制点（可以采用纸质的靶标或者其他特征信息），对于扫描有遮挡的地区，采取多站测量数据，进行拼接，通过精密控制网将整个场馆纳入统一的坐标系统中[4]，尽量减少不同测站的点云进行拼接的整体拼接误差，同时分类提取出每根柱子的点云数据。对进行点云数据的拟合平面或曲面，对所有柱子统一切片，截取其中心点，从而达到对轴线的采集，进而对比其原有设计值，得出偏差。
2、实例分析
(1)方案设计
本次实验为既有项目上海某大型体育馆改造项目，场馆内有全部为方形柱体，间隔均至少超过50米，且一部分都包围在了内部装饰中（大部分均为只有两面外露），因为要对场馆进行改造，不能拆除原有的主体结构，设计部门要求必须进行场馆的相关轴线的确定。（如图1）
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图1三维激光扫描检测轴线流程图
本次实验采用高精度相位式FARO Focus S 350三维激光扫描仪进行内部扫描获取其原始点云，结合现场既有高精度控制网使用FARO SCENE和FARO As-Built for AutoCADSoftware等软件进行配准融合、去噪和压缩和导入cad中采集轴线等（如图2）。
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图2：拼接点云的俯视图
将点云预处理后使用matlab对其进行平面的拟合，设平面方程a*x+b*y+c*z+d=0[1],对点云Pi的临近点拟合平面，即a（xi-x）+b（yi-y）+c（zi-z）=0，点Pi到平面a*x+b*y+c*z+d=0的距离设为di。对与上述公式di进行最小二乘估值，及所有点云到拟合平面的距离和最小为条件。从而求得平面的法向量(a,b,c)。
柱子中轴线的确定：对于同一柱子的不同平面分别求取法向量并选取固定的z维度数值，对于拟合平面的边缘(柱子的边线)采用RANSAC算法进行确定[3]，从而求取柱子的中心点。对于不同的柱子的中心点进行连线，从而确定两个柱子的连线中轴线，（如图3）。
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图3点云数据中柱体轴线的连线图
(2)和既有全站仪实测采集柱子中心数据的比对分析
共分析对比了场馆内九组柱体的全站仪实测数据和激光三维扫描点云拟合轴线数据，其对比较差如表1：
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表1：三维激光扫描仪与全站仪数据对比
从上述数据中也可以看出，激光扫描的点云所确定的点位与高精度控制网全站仪所求出的几何中心完全一致，其偏差均小于5cm，但是全站仪所求取的中心轴线中心位置均选择为z维度上固定的柱子中心的连线。扫描仪可以选择任意z维度上的几何中心，从而求取轴线。从实际使用的[5]。
3、结语
本文提出了三维激光扫描技术对大型场馆轴线的检测的关键技术方案，采用三维激光扫描仪获取场馆柱子，通过对扫描柱子的立面进行点云的平面拟合，从而确定相关轴线。克服了对于使用全站仪测量柱子中轴线，全站仪测量无法采集任意z维度的截面中轴线的技术。三维激光扫描仪可以任意的切片截面通过提取特征线和面求取柱子的中轴线[6]，随着空间三维数据采集技术的不断发展，三维激光扫描技术作为一种便捷且效率精度高的新技术手段，为场馆的柱子中轴线的确定提供了新的方法。实例验证该技术为以后大型场馆的改造中柱子中轴线的检测，提供了先进的技术支撑和借鉴方案。
参考文献：
[1]王清泉，闫保旭，王解先．长方形立面检测方法研究 ［J］．测绘通报，2008( 8) : 48-49．
[2]宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备,2008,10(2):40-43.
[3]杨军建，吴良才.基于ＲＡＮＳＡＣ算法的稳健点云平面拟合方法.[J]北京测绘，2016年第二期
[4]BuckleySJ,HowellJA,EngeHD,etal.Terrestriallaserscanningingeology:dataacquisition,processingandaccuracyconsiderations[J].JournaloftheGeologicalSociety,2008,165(3):625-638.
[5]臧伟,钱林,孙宝军,董 明.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].北京测绘2015年第3期
[6]高溪溪，周东明，崔维久．三维激光扫描结合 BIM 技术的古建筑三维建模应用［J］．测绘通报，2019( 5)