三維掃描技術大空間3D掃描建筑建模

項目概況：

    掃描區域是長春市陽光世家小區，實施項目是小區剛建成竣工，業主單位希望 通過對整片小區進行快速的測量，從而快速得到小區內建筑建成后的平面圖以及建筑拐點坐標， 從而對比設計之初與建成之后的相對偏差，為后期附屬設施的建設和布置提供精準的數據參照。并且希望同時獲得小區內建筑結構模型，從而傳輸到數字城市平臺完善更新。

項目特點分析：

    建筑竣工驗收一般通過常規儀器便能實現，但僅僅是限于結構不太復雜、建筑結構層次簡單的普通建筑。并且如果需要進行三維模型的建立，還需要保證各個建筑結構尺寸的逐個測量。而如果采用三維激光掃描儀進行掃描的話，不僅能快速得到建筑結構的點云尺寸數據，而且能夠將點云數據直接輸入到常用建筑建模軟件進行快速參照建模，便捷快速。

 

1、掃描作業前的準備第一步 數據獲取

    本次掃描是為實現 9 棟居民樓進行立面圖繪制和建模而進行了，為了達到要求目的，必須順利采集 9 棟房屋的完整點云數據，并使得房屋點云能夠有效、精確的進行拼接，并且減少架站點的個數，我們做了以下安排和準備，

掃描工作至少準備以下：

1. 掃描儀 1 臺

2. 木質三角架 1 個

3. 人員配備 2 人

 

2、作業詳細步驟

    根據測試要求，根據所提供的控制點個數和位置，為了更好的在點云上反應小區完整的信息，便于模型的建立，我們根據后方交會的原理，一共架設了 22 站，站點（圓圈）和控制點（綠色）的位置分布圖如下。如圖 1-1

 

圖 1-1

      圖 1-1，紅色原地分別為我們架設儀器位置，每一站我們都選擇盡可能多的反應房屋內容或者重點需要表達的部位，站點之間我們需要至少 2 個控制點，我們這次把標靶擺放在控制點上，標靶正對著掃描儀，這樣在掃描儀精掃標靶的時候掃描到盡可能多的點，降低擬合標靶中心位置的誤差，并且標靶放置在盡量離掃描儀遠的位置，這樣在坐標轉換的過程中也把坐標轉換誤差降低到最小。

    每秒可以掃描 30 萬個點，根據工程要求，我們選擇每站掃描 1 分 31 秒鐘，接受掃描點數10997000 個。掃描到柱子上的 2 個點的平均間隔大概15mm，多站拼接后點的間隔大概在10mm。如下圖

圖 1-2

這樣 2 個人操作掃描儀，每站作業時間大概 10 分鐘就能完成。

3、標靶中心坐標的獲取

這次測量用的標靶是原裝的反射片，標靶在掃描儀間基本是通用的，是用一種反射率比較高的材料做成。

掃描儀旋轉一周后，我們在 PC 上通過軟件找到掃描點云反射率 90%以上的物體，因為現實中很少有反射率這么高的物體，所以找到的就是標靶，掃描儀會精細掃描標靶，在這個標靶上會掃描 4000 個測量點，通過這 4000 個點擬合出來標靶的中心，如果標靶是圓形的，則擬合出來標靶圓心。（如圖 1-4）圖中的“ ”字中心即為軟件自動擬合出來的標靶中心。用全站儀獲取標靶的中心坐標，只需望遠鏡對準標靶的中心即可。

 

圖 1-3 反射片

 

圖 1-4

第二步 數據預處理

1、數據的坐標轉換與拼接

    把全站儀采集的標靶的數據導出來，在Excel 里編輯成（ENZ）格式的數據，在以.csv 的數據格式保存下來。

 

    標靶數據導入軟件，在軟件的左邊樹狀菜單欄下面有個 選項（GLCS 代表大地坐標系統），雙擊打開，里面有個如圖導入特征點數據的選項。我們把全站儀測得的標靶的坐標導入到軟件中。

    我們一共掃描了 22 站，每站周圍貼 2 個。掃描儀掃描的時候會以激光發射中心做為坐標原點，起始方向做為X 軸建立自己的坐標系（SOCS），即掃描儀坐標系，我們掃描的站點是互不關聯的，現在我們就是把掃描儀掃描的標靶的坐標符合到全站儀使用的坐標系中。這些特征點符合好了，那么所有的點都轉換到全站儀使用的坐標系中了。

   把掃描儀掃描的坐標系導入到軟件以后，使用后視方法，軟件就會自動的解算相關位置， 等結算完，坐標也轉換了。如下圖所示：

 

圖 2-1

圖 2-2 具有大地坐標系的三維點云圖，任一點都具有真實的大地坐標

同樣，我們可以用自動校準模塊來多點云進行更詳細的拼接，用以提高精度，拼接結果如下圖所示：

 

圖 2-3

22 站都轉到了同一坐標系下，即 4 站也拼到了一起，如圖 2-3。當然拼圖方法還有其他方式，如下：

1. 通過兩站間的共同標靶拼接。

2. 通過軟件的GPS 模塊自動拼接。

3. 根據測量的共同點手動拼接。

4. 導入到第三方軟件進行拼接。

 

圖 2-4 全部點云俯視圖

 

圖 2-5 彩色點云俯視

2、贅余點刪除

    掃描儀把它自己“看”到的實體都會掃描下來，這樣掃描完后必然會有一些贅余數據，我們可以根據不同的需求選擇性的去過濾一些數據或者去人工刪除一些數據。

   我們這次任務主要是獲取 9 棟建筑物，所以我們就可以選擇性的保留下來 9 棟建筑物的點云數據，把其他的多余點刪除。手動刪除方式和 CAD 軟件上選中點，delete 鍵刪除相同。除此之外，軟件還有其他多種過濾方式：如下

      Range gate（距離過濾）：用戶可以保留距離掃描儀指定距離范圍內或外的點。

      Remove isolated points（孤點過濾）：如果一個點在指定的距離內沒有其他掃描點的存在，那么這個點被稱為孤立點，而被保留或刪除。

      2.5D raster （光柵過濾）：此種過濾用于地形測量時樹木等高于地面的地物的過濾。

Point filter（step：X）隨即過濾：即點云保留原有個數的 1/X。

我們此次保留下的數據如圖 2-6，2-7，2-8.

 

圖 2-6 單棟建筑物點云圖

 

圖 2-7 單棟建筑物點云圖(貼紋理)

圖 2-8 三維點云圖上可進行實際量測

 

1、數據的詳細加工第三步 數據整理和成果展示

利用過濾后的點云進行加工，我們將點云導入 CAD 之中，使用相關控件，直接在點云上對房屋進行模型建立。

圖 3-1

導入CAD 之后，使用pointcloud 控件，能夠直接在點云上建立面片和房屋整體模型。

 

圖 3-2

利用CAD 中的KUBIT 插件，根據導入的樓體點云數據，直接建立的白模。

 

圖 3-3

利用 3D-MAX 軟件，為建立好的模型貼紋理，使得效果更佳的逼真。操作界面如下圖所示：

圖 3-4

經過整個完整的操作流程之后，附有色彩信息的三維立體模型就可以順利進行展示了。結果如下圖所示：

 

圖 3-5

圖 3-6

圖 3-7

  

圖 3-8

圖 3-9 太陽世家小區總體平面圖（1:500）

 圖 3-10 1 號樓部分拐點的大地坐標（不帶高程）

 

2、項目功能及應用范圍解析

    通過三維激光掃描儀對整個建筑群的掃描，不僅可以得到小區內的實際尺寸點云數據，并且能通過軟件的力量進行快速的三維建模工作，從而得到相應的三維模型數據，擁有模型數據后便能提取任意的二維線畫圖資料。