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三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用邓晓淞

发表时间：2021/5/24 来源：《基层建设》2021年第2期作者：邓晓淞

[导读] 摘要：在现代建筑测绘中，传统的测量技术已经难以满足实际测绘的需要，而利用三维激光扫描技术进行建筑测绘，则能自动采集数据，同时不用草图连线，环境与时间也不能带来约束，加上具有较高的精度和分辨率，因此在建筑测绘中得到了应用。

        云南玉溪原点测绘有限公司云南玉溪 653100
        摘要：在现代建筑测绘中，传统的测量技术已经难以满足实际测绘的需要，而利用三维激光扫描技术进行建筑测绘，则能自动采集数据，同时不用草图连线，环境与时间也不能带来约束，加上具有较高的精度和分辨率，因此在建筑测绘中得到了应用。本文主要就建筑测绘中如何加强三维激光扫描技术的应用展开探究。
        关键词：三维激光扫描技术；建筑测绘；应用
        1三维激光扫描技术的测绘原理与应用的优势分析
        1.1测绘原理
        三维激光扫描技术主要是采用激光设备，对待测区域进行实景扫描，从而获取待测区域的相关数据信息，这些数据信息主要是待测区域的环境要素，并对节点点位进行进行控制，从而掌握被测物体表面反射的强度与颜色等方面的信息，在这些信息获取之后，就能形成空间三维点云，从而对待测区域的环境和建筑与设备等实现数字化。
        在三维激光扫描技术进行建筑测绘时，采用的设备主要有三种：①激光测距仪；②反光棱镜；③全息数码相机。其中，激光测距仪主要是应用了脉冲式测量原理，并能主动发射激光，接收自然物体所反射的信号，从而对距离、水平角和竖直角进行测量，再对被扫描点和测站原点的坐标差进行计算，当测站点与一个定向点的坐标已知之后，就能对每个扫描点的三维坐标进行计算。
        1.2应用优势
        三维激光扫描技术主要是依靠三维激光成像扫描仪，为一种非接触式的主动测量系统，从而能大面积和高密度的进行空间三维数据采集，不仅数据采集速度很快，而且测量精度较高，在采集空间点上具有速度快和密度大的优势。
        三维激光扫描技术是采用主动式光源来测量，能在无光照的条件下开展观测，因此对高大建筑物与隧道内的扫描和观测提供了巨大的便利，而且利用三维激光扫描仪能同时接受所反射的激光与可见光，并把可见光强度与色彩附加在三维坐标点之上，从而得到彩色三维影像。所以，点云数据不仅包含了建筑物表面离散点坐标，而且还包含有色彩参数，从而利用三维扫描技术测量得到的点位数据来表示点的空间位置关系和颜色与灰度等方面的信息。
        在三维激光扫描技术实际应用过程中，相较于传统的建筑测绘技术，不仅有着较高的自动化程度，而且人工矫正的难度较低，不受环境与时间的约束，有着较高的分辨率与精度。这主要得益于三维激光扫描技术采用的是非接触扫描的方式进行测量，且不需要采用反射棱镜，对目标建筑物不用开展表面处理，就能对物体表面三维数据进行直接采集，整个数据采集过程均是在三维激光扫描设备自动扫描而完成。在此基础上，利用三维激光扫描技术实施过范围扫描，外业测绘的范围大于实际测绘范围，使得数据更加全面，可以省去校准测量范围与绘制草图的环节，只要在内业综合取舍就能完成制图，当部分不需要时，则能直接截取。此外，该技术应用主动发射扫描光束，探测自身发射激光回波信息进行建筑物信息的获取，所以在扫描时不受时间与空间的约束，尤其是快速而又高精度的获取大量的点云数据，从而就扫描目标开展高密度的采集三维数据，更好地提取高分辨率实景数据，有效地降低漏测与少测的问题。
        2建筑测绘中三维激光扫描技术的应用要点分析
        2.1三维扫描轨迹分析
        三维激光扫描技术中采用的三维激光扫描仪中搭载了多旋翼无人机，并采用无人机航测地面站作为控制系统，在地面站中对待测绘区域选取后，对测绘轨迹进行设定，从而在无人机自动航行和三维激光扫描设备的综合运行下实现自动采集数据的目的。三维激光扫描的测绘轨迹应环绕主测建筑物，并形成闭合区域，具体详见图1所示，图1中的建筑物有着较高的高程，因此采用了螺旋上升的方式形成测绘轨迹，使得数据采集更加完整。在完成数据采集之后，利用专业软件（比如LIDARSURVEY）来过滤点云和匹配颜色、项目管理、多站自动拼接、数字化测距以及三维点云展示等，而在后续还能删除噪点，对局部色彩进行调整，对点云实施分块管理，以及制作点云视频等，并对各种复杂场景的数据开展特殊处理。
        2.2点云定位
        点云定位是以三维扫描设备的坐标，以及该坐标所采集的激光扫描点的距离与角度，进而得出被测建筑物中每个点位要素自身的坐标，每个测绘点则是结合坐标空间位置形成点云，从而得到三维点云效果图。而在此基础上，为了对点位进行加密，还要采用最小二乘算法，把离散点云利用LIDARSURVEY软件进行自动过滤，并匹配颜色数据后，从而融合为彩色点云，利用线性插值算法和多站自动拼接达到点云加密的目的。

                       图1：三维激光扫描轨迹
        2.3输出矢量成果
        在利用三维激光扫描技术进行建筑测绘时，矢量成果输出是一个十分关键的环节。因为三维激光扫描技术生成了数字化影像，其与CAD和3DMAX的兼容性较强，因此在矢量化输出测绘成果方面有着较大的优势，具体的输出过程如下：
        第一步，对三维激光扫描模型的俯视图、侧视图以及主视图实施边界量化处理，从而确保建筑模型的整体边界不仅平顺，而且较为完整，而俯视图、侧视图以及主视图三者的共同特征就在于同一面能投影于同一曲线或直线之上，从而为统一校准和修正提供了便利。
        第二步，将CAD矢量成果图输出，使得边界统一而又平滑，同时有着整齐的结构，得到的CAD三维矢量模型较为完整。在这一过程中，采取点云数据构造得到的二维线段数据，也是以CAD平台为基础，导出数据采用的格式以通用格式为主，常见的有DXF格式和DWG格式，因此其具有的兼容性较强，同时借助专业软件构建点云数据的三维模型，建模得到的成果也能到处通用的DXF格式，并借助CAD进行查看和修改，使得成果输出效率得到提升。
        第三步，由于三维激光扫描技术能对建筑物进行总体矢量化输出，同时还能对细部结构进行矢量化输出，成像过程是以点云坐标投影后实现，在建筑里面的同一坐标平面数据提取时较为便利，只要对X坐标值进行固定，从而就能对这一平面中的全部影像元素进行提取，并结合平面影像提取成果，并导入CAD中得到效果图，从而对建筑物的门窗和梁柱等结构开展矢量化处理，进而得到建筑立面的矢量化平面，因为每组CAD导入数据中均有基点坐标导入，这样在每个建筑立面进行矢量化处理之后，就能三维输出建筑模型，从而得到的建筑测绘模型具有矢量化和标准化的优势。
        3结语
        综上所述，本文主要就三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用原理、应用优势和应用要点进行了梳理，在实际应用过程中，应切实掌握其应用原理，即激光测距原理而成像，不仅成像的范围较大，而且速度很快，能有效地促进测量效率的提升。而应用优势是每个点云空间位置准确，建筑物测量精度得到提升，在应用中，主要是结合实际确定三维扫描轨迹，并注重点云定位和点云加密，最后通过矢量化地输出三维模型，使得测绘成果得以直接利用。
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