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三维激光扫描技术在城市雕塑表面积测量中的应用

发表时间：2020/12/23 来源：《基层建设》2020年第24期作者：冯昕

[导读] 摘要：一些精美的城市雕塑往往采用价格昂贵的材料雕塑而成，在进行工程施工结算时，需要精确的表面积以确定工程量。

        河南农业大学河南郑州 450000
        摘要：一些精美的城市雕塑往往采用价格昂贵的材料雕塑而成，在进行工程施工结算时，需要精确的表面积以确定工程量。三维激光扫描技术是近几年来发展起来的一项新兴技术，能够快速地提供扫描对象的三维点云数据，从而获取高精度高分辨率的数字地形模型。本文将以获取一对城市雕塑的表面积数据用于工程造价结算为例，介绍三维激光扫描技术在城市雕塑表面积测量中的技术方法。
        关键词：三维激光扫描技术；点云；城市雕塑；表面积测量
        引言：
        三维激光扫描技术是近年发展起来的一项新兴的测绘技术，将传统的单点测量方式转变成面域点云数据测量，可以对各种复杂、不规则物体的表面进行全方位、快速、非接触式扫描，同时获取海量的点云数据，实现快速、精确、高效率地建立建构筑物三维模型。通过建立的构筑物三维模型，计算出构筑物表面积。
        1三维激光扫描技术技术原理与应用方向
        1.1基本原理
        三维激光扫描技术又被称作“实景复制技术”，是利用激光测距的原理，通过高速测量记录被测物体表面大量密集、离散点的坐标、反射率和纹理等三维空间信息，快速重构出被测物体的线、面、体、空间等各种三维模型与制图数据的一种测量技术。它突破了传统测量方法只能单点测量的限制，同时在测量效率化、精度化、数字化、自动化以及主动性、穿透性、不接触性等方面表现出了极大优势，良好的解决了当前空间信息技术发展的颈瓶，被公认为测绘领域继ＧＰＳ技术之后的又一次技术革命。
        1.2技术现状
        三维激光扫描技术具有高速度、高精度的采集特点，还具有信息采集量大、自动化程度高、环境适应性强等优点，已被广泛应用于多个领域中。随着我国城市的快速发展和对环境建设的重视，公共艺术作为环境建设的一种手段，被人们大量采用。其中，雕塑作为公共艺术的体现形式之一，受到了人们的喜欢。城市雕塑作为环境和艺术的有机结合，体现了思想、理念、情感等精神需求，出现在人们的视野里。随着雕塑艺术的不断创新和发展，仿真雕塑因可以使雕塑作品摒弃矫揉造作的艺术形式，客观再现真实事物的原貌，在雕塑作品中占据了越来越大的比例。然而，仿真雕塑作品经常追求尺寸和体量的巨大，造成与周边环境的不和谐。因此，在仿真雕塑的设计过程中，要充分考虑到仿真雕塑作品所要放置地点的特点，并结合放置地点的大小，对仿真雕塑的三维形体开展设计。在仿真雕塑的竣工测量时，传统的仿真雕塑三维形体测量方法存在测量速度慢、测量精度低等缺点，而且会为外业测量人员带来巨大的工作量，因此，需要对其测量方法作进一步研究。
        1.3应用方向
        三维激光扫描技术至今已有近６０年的历史，但受限于当时该技术较低的精度与昂贵的价格，长期未得到广泛应用。直至２０世纪９０年代，美国俄亥俄州立大学制图中心成功研制出第一台地面激光扫描系统，揭开了三维激光扫描技术现代化应用的序幕。随后，加拿大卡尔加里大学研制了机载激光扫描系统并应用于高速公路测量领域，美国斯坦福大学使用三维激光扫描建立了米开朗基罗的大卫雕像模型，美国国家航空航天局将三维激光扫描技术应用于太空计划，瑞典工程师将三维激光扫描技术应用于城镇线路规划等。自１９９９年起，我国三维激光扫描技术工程应用领域的发展也极为迅速，第三军医大学、北京建设数字科技有限公司、长安大学测绘学院、江西测绘局分别将三维激光扫描技术应用于人体可视化研究、乐山大佛与故宫等大规模文物保护、黄河小浪底的模型重建与滑坡变形监测、城镇建筑物立面测量等领域[1]。时至今日，三维激光扫描技术已成为地形测量、公路测绘、隧道变形监测、桥梁结构测量、线路测量、建筑物内部及外观测量、古建筑测量、森林火灾监控、滑坡泥石流预警、灾害预警和现场监测等领域的重要技术手段。

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        2基于三维激光扫描技术的表面积计算
        本文通过ＲTC360扫描仪获取目标雕塑的点云数据，利用CycloneＲegister360软件对点云数据进行拼接；在拼接好的点云基础上，使用TrimbleＲeal-works软件对点云进行裁剪、抽稀等处理；将处理后的点云导入GeomagicStudio2013软件中，建立目标雕塑的三维模型，从而得到目标雕塑的表面积。
        2.1点云采集
        本文项目使用徕卡ＲTC360激光扫描仪进行外业目标点云采集。徕卡ＲTC360不仅操作简单、扫描速度快，还非常智能，可以实时跟踪计算两个连续站点间的相对位置，进行点云实时预拼接。后期搭配CycloneＲegister360软件，可以实现快速高效的点云拼接处理。在采集点云过程中，需要围绕雕塑一周进行自由设站，并对某些凹陷位置进行单独扫描，从而尽可能多地获得雕塑的点云数据[2]。在采集点云的同时还需要对扫描范围内进行拍照，这样可以同时获取点云的ＲGB信息，方便后期建立真彩色的雕塑模型。每一站扫描完成后可以通过平板电脑检查数据质量和拼接情况。
        2.2数据预处理
        首先将外业点云数据导入CycloneＲegister360软件中进行测站点云拼接，CycloneＲegister360软件提供了两种点云拼接方法：一种为目视对准拼接法，即在平面视图和高程视图上分别使用平移、旋转使公共部分点云重合；另一种为三点配准法，即在两站点云中选取3个公共点进行点云配准[3]。一般首先使用目视对准拼接法就可以快速完成点云拼接，当点云拼接精度达到0.01m以内时将拼接好的点云以PTS格式进行输出；然后将输出的点云数据导入Trimble Ｒealworks软件中，通过分割功能去除周围环境和通过镂空部位采集到的雕塑内部等非目标点云；最后为了加快数据的计算速度，需要将预处理过后的点云通过空间取样功能抽稀成0.01m的点云数据，并以PTS格式进行输入以供建模使用。
        2.3建立模型
        将通过预处理的PTS格式点云数据导入到GeomagicStudio2013软件中，首先对点云进行着色处理，着色后能使点云数据的形状更加清晰，便于后续对点云数据进行处理。然后依次对点云进行删除体外孤点、删除非连接点、删除噪点操作。在删除体外孤点时敏感度一般设为85，若一次剔除不掉，可多剔除几次。最后进行点云封装就可以得到雕塑模型[4]。由于雕塑表面是镂空的，因此还需要对模型进行处理，比如删除钉状物、平滑表面、填充孔等，最终才可以得到雕塑完整的三维模型。计算机通过海量的三角面片，自动对获取的被测矢量坐标信息进行计算，即可得到该模型精确的表面积。
        3.结束语：
        运用三维激光扫描技术对城市雕塑进行表面积测量，通过建立测量控制网，获取雕塑的点云数据，经过点云数据处理、三维模型建立，进而对雕塑表面积进行计算。通过本文的研究和试验，证明了三维激光扫描技术应用于复杂的城市雕塑表面积测量不仅是可行的，而且可以快速准确地获取点云数据，大大减少了外业作业时间。从而为异型建筑物表面积测量采用新技术提供了理论依据，拓展了三维激光扫描技术应用途径。
        参考文献：
        [1]白殿有.三维激光扫描技术在地铁结构现状调查中的应用[J].城市勘测，2019（04）：126-128.
        [2]李文国.三维激光扫描技术和低空无人机在异形建筑竣工测量中的应用[J].城市勘测，2019（04）：108-111.
        [3]刘士彪，王玉良，罗洵，程浩杰.基于三维激光扫描技术爆堆体积测量与计算[J].铜业工程，2019（04）：53-55+97.
        [4]姜赟，陈宜金.三维激光扫描技术在假山雕塑表面积计算中的应用[J].工程勘察，2019，47（04）：66-69.