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三维激光扫描技术在地下空间三维建模中的应用

发表时间：2020/12/31 来源：《基层建设》2020年第24期作者：马盛梅

[导读] 摘要：地下空间通视条件差、结构复杂等特殊性决定了其在三维建模时难以采用常规仪器采集数据，三维激光扫描技术采用非接触测量方式精确获取到被测物体的空间几何信息，通过密集的点云数据可快速复建出物体的三维模型。

        山东正元地球物理信息技术有限公司山东济南 250010
        摘要：地下空间通视条件差、结构复杂等特殊性决定了其在三维建模时难以采用常规仪器采集数据，三维激光扫描技术采用非接触测量方式精确获取到被测物体的空间几何信息，通过密集的点云数据可快速复建出物体的三维模型。本文以某地下停车库为例，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，经验证，使用该技术构建的三维模型精度能够满足相关规范的要求，值得推广应用。
        关键词：三维激光扫描技术；地下空间；三维建模
        引言
        近年来，随着中国经济的快速发展，地下商场、地下轨道交通、地下停车场以及地下通道工程越来越多，城市地下空间的开发与利用得到了广泛的关注。为响应三维数字城市全空间领域建设的需要，城市三维建模已逐渐由地面向地下延伸，当前，地面三维建模的方法已趋向成熟，地下空间由于其特殊性，通过常规仪器来建模的方法存在效率低下、无法大体量建模的弊端；基于竣工图编绘的建模方法受制于竣工图纸的齐全和质量，建模精度也无法得到保障。三维激光扫描技术是继ＧＰＳ之后兴起的又一项高新测量技术，其突破了单点测量的传统方式，采用非接触测量精确地获取到被测物体的空间几何信息，通过密集的点云数据快速复建出物体的三维模型，将其应用于地下空间的三维模型构建中具有无可比拟的优势。
        １三维激光扫描技术优势
        城市地下空间存在结构相对简单、通视条件差、光照不足等特点。传统的全站仪测量方法虽然可以完全应用于地下空间的测量，但是存在以下问题：地下空间测绘时需要从地表进入控制点并布设控制网，控制网布设相对困难；全站仪方法测量则需要导线、水准、测图多次进场测量，工作效率较低；对于使用率不高的地下空间光照条件差，需通过人工照明等方法进行测量，易出现漏测、错测的情况，并且还需要根据全站仪方法测得的地形图构建三维模型，增加了作业流程。三维激光扫描技术是一项测绘新技术，采用主动发射激光测量的方式，不受光照条件的影响，采用行测量的方式快速、高分辨率地获取场景中有效范围内物体表面的高精度三维点坐标，无需多次进场，细节表达详尽，避免了漏测现象，在地下空间测绘中展现了传统测量无法比拟的优势。
        2基于三维激光扫描技术的城市地下空间三维建模
        2.1城市地下空间三维建模的特点
        和地面三维建模有所不同，城市地下空间建模存在以下两个方面的特点：（１）地下空间一般是由独立的单体构成且结构复杂，单一技术手段难以一次性获取全貌数据；（２）地下空间属于场景内建模，为了实现地面地下模型数据的无缝对接，构建真正意义的全要素三维城市场景，城市地下空间建模对几何数据、纹理数据与属性数据的精度均提出了更加严格的要求。
        2.2三维激光扫描技术
        建模流程地面建模时，三维激光扫描仪获取到的点云数据已经比较直观地显示出物体外立面的状况，再应用相关软件就可以实现快速建模。地下空间建模时，由于三维激光扫描仪采集到的只是建筑内部的点云数据，难以像地面一样快速建模，需要通过控制测量和点云拼接这两个步骤来实现.
        3三维激光扫描技术在地下空间三维建模中的应用
        3.1工程实例
        本文对某大厦地下车库进行三维模型构建，实现与地上倾斜摄影测量技术测得的三维模型的一体化管理。该地下车库为两层，共两个出入口，总面积约5000ｍ２。地下车库的现场图如图１所示。

        3.2信息化管理
        随着三维建模技术的发展，三维模型的应用需求日渐突出，对数据的管理需求也就更高，实现地上、地下、室内、室外三维模型的一体化管理需求就显得尤为重要。Ｕｎｉｔｙ３ｄ是一种三维虚拟现实游戏平台，可以处理大量三维模型。将地下车库的三维模型文件导入到Ｕｎｉｔｙ３ｄ平台实现对地下车库场景漫游及属性添加、查询等功能。将模型导入Ｕｎｉｔｙ３ｄ时，应该注意Ｕｎｉｔｙ３ｄ不识别多维子材质，所以在３ＤＭＡＸ中建模贴纹理时不能使用多维子材质。为了更好地应用地下车库三维模型，更好地服务于城市规划等部门，本文也研究了地上、地下三维模型的一体化管理，将倾斜摄影测量获取的地上三维模型与地下车库模型集成到同一平台上进行管理。由于Ｕｎｉｔｙ３ｄ所承载的模型的三角面数是有限的，当场景非常大、加载的模型三角面数较多时，使用Ｕｎｉｔｙ３ｄ不合适，本文则使用Ｓｋｙｌｉｎｅ对地上、地下的三维模型统一管理，图５是地上、地下三维模型集成在Ｓｋｙｌｉｎｅ平台上的界面。
        3.3控制测量
        地下空间测量采用与地面一致的测绘基准，通过联系测量将地面基准导入到地下。在两个出入口地面上分别布设两对控制点，使用网络ＲＴＫ测得四个控制点的平面坐标和高程。在两个出入口处的墙上分别张贴两对标靶纸，标靶位置应注意使得标靶中心的法向量方向与仪器发射的激光束交角尽量小，将免棱镜全站仪架设在地面控制点上，测出标靶中心的平面坐标和高程，标靶纸的中心点作为公共点用于将后续扫描仪扫描的坐标精准配准到和地面控制点一样的坐标系下，另一对标靶纸可作为附合导线的检验点使用。
        3.4点云采集
        本项目采用瑞格ＲｉｅｇｌＶＺ－１０００三维激光扫描仪进行作业（如图３所示），该扫描仪的扫描类型是脉冲式，测程为２．５～１４００ｍ，扫描精度是５ｍｍ＠１００ｍ，具有３６０°×１００°的扫描视角，该仪器具有极高的扫描速率，最快可达到每秒测量１２２０００个点，极大地提高了工作效率。本次作业的地下车库属于规则建筑，可以不布设标靶进行设站，通过墙角等明显特征点作为公共点就能用于测站之间的粗略拼接，再使用ＩＣＰ算法进行精拼，设站时应尽量保证采集的点云数据不产生冗余。
        3.5点云数据预处理
        将采集得到的点云数据导入到仪器配套的ＲｉＳＣＡＮ数据处理软件中，利用过滤算法剔除原始点云中含有粗差和错误的点，这一过程属于去噪处理，再对点云数据进行拼接调整，最后对扫描获取的图像进行几何纠正，把照片的ＲＧＢ值赋给每个点云，实现图像与点云数据的匹配。
        3.6点云去噪
        点云去噪就是去掉点云数据中错误的数据和误差数据。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，可分为仪器系统误差、受被测目标影响产生的误差和受偶然因素或不可预测因素影响产生的误差３种。本文在软件中使用人工交互的方法去除第３种噪声。由于地下车库的地面比较光滑，产生的镜面噪声点通过过滤掉第二次回波及其他次回波来去除。
        4结束语
        本文以某大厦的地下车库为例，详细阐述了基于三维激光扫描技术的地下空间三维建模的方法与流程，探讨了数据预处理、三维建模、模型信息化管理使用的方法。实践证明，基于三维激光扫描技术的地下空间三维模型构建具有外业数据采集快、三维模型精度高及细节表达详细等优点。今后将研究地上、地下、室内、室外三维模型的一体化信息化管理平台，以对三维模型进行更深入的应用，更好地服务于城市规划等部门。
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