大空間3D掃描，建筑建模

項(xiàng)目概況：

    掃描區(qū)域是長(zhǎng)春市陽(yáng)光世家小區(qū)，實(shí)施項(xiàng)目是小區(qū)剛建成竣工，業(yè)主單位希望 通過(guò)對(duì)整片小區(qū)進(jìn)行快速的測(cè)量，從而快速得到小區(qū)內(nèi)建筑建成后的平面圖以及建筑拐點(diǎn)坐標(biāo)，從而對(duì)比設(shè)計(jì)之初與建成之后的相對(duì)偏差，為后期附屬設(shè)施的建設(shè)和布置提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參照。并且希望同時(shí)獲得小區(qū)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)模型，從而傳輸?shù)綌?shù)字城市平臺(tái)完善更新。

項(xiàng)目特點(diǎn)分析：

    建筑竣工驗(yàn)收一般通過(guò)常規(guī)儀器便能實(shí)現(xiàn)，但僅僅是限于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜、建筑結(jié)構(gòu)層次簡(jiǎn)單的普通建筑。并且如果需要進(jìn)行三維模型的建立，還需要保證各個(gè)建筑結(jié)構(gòu)尺寸的逐個(gè)測(cè)量。而如果采用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描的話，不僅能快速得到建筑結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云尺寸數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)直接輸入到常用建筑建模軟件進(jìn)行快速參照建模，便捷快速。

1、掃描作業(yè)前的準(zhǔn)備

*步 數(shù)據(jù)獲取

    本次掃描是為實(shí)現(xiàn)9棟居民樓進(jìn)行立面圖繪制和建模而進(jìn)行了，為了達(dá)到要求目的，必須順利采集9棟房屋的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并使得房屋點(diǎn)云能夠有效、精確的進(jìn)行拼接，并且減少架站點(diǎn)的個(gè)數(shù)，我們做了以下安排和準(zhǔn)備，

掃描工作至少準(zhǔn)備以下：

1. 掃描儀 1 臺(tái)

2. 木質(zhì)三角架 1 個(gè)

3. 人員配備 2 人

2、作業(yè)詳細(xì)步驟

    根據(jù)測(cè)試要求，根據(jù)所提供的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)和位置，為了更好的在點(diǎn)云上反應(yīng)小區(qū)完整的信息，便于模型的建立，我們根據(jù)后方交會(huì)的原理，一共架設(shè)了22站，站點(diǎn)（圓圈）和控制點(diǎn)（綠色）的位置分布圖如下。如圖1-1

紅色原地分別為我們架設(shè)儀器位置，每一站我們都選擇盡可能多的反應(yīng)房屋內(nèi)容或者重點(diǎn)需要表達(dá)的部位，站點(diǎn)之間我們需要至少2個(gè)控制點(diǎn)，我們這次把標(biāo)靶擺放在控制點(diǎn)上，標(biāo)靶正對(duì)著掃描儀，這樣在掃描儀精掃標(biāo)靶的時(shí)候掃描到盡可能多的點(diǎn)，降低擬合標(biāo)靶中心位置的誤差，并且標(biāo)靶放置在盡量離掃描儀遠(yuǎn)的位置，這樣在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中也把坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差降低到小。

    每秒可以掃描30萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，根據(jù)工程要求，我們選擇每站掃描1分31秒鐘，接受掃描點(diǎn)數(shù)10997000個(gè)。掃描到柱子上的2個(gè)點(diǎn)的平均間隔大概15mm，多站拼接后點(diǎn)的間隔大概在10mm。如下圖

這樣2個(gè)人操作掃描儀，每站作業(yè)時(shí)間大概10分鐘就能完成。

3、標(biāo)靶中心坐標(biāo)的獲取

這次測(cè)量用的標(biāo)靶是原裝的反射片，標(biāo)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(zhuǎn)一周后，我們?cè)赑C上通過(guò)軟件找到掃描點(diǎn)云反射率90%以上的物體，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中很少有反射率這么高的物體，所以找到的就是標(biāo)靶，掃描儀會(huì)精細(xì)掃描標(biāo)靶，在這個(gè)標(biāo)靶上會(huì)掃描4000個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)這4000個(gè)點(diǎn)擬合出來(lái)標(biāo)靶的中心，如果標(biāo)靶是圓形的，則擬合出來(lái)標(biāo)靶圓心。（如圖1-4）圖中的“ ”字中心即為軟件自動(dòng)擬合出來(lái)的標(biāo)靶中心。用全站儀獲取標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，只需望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)標(biāo)靶的中心即可。

第二步 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1、數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與拼接

    把全站儀采集的標(biāo)靶的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)，在Excel里編輯成（ENZ）格式的數(shù)據(jù)，在以.csv的數(shù)據(jù)格式保存下來(lái)。

    標(biāo)靶數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，在軟件的左邊樹狀菜單欄下面有個(gè) 選項(xiàng)（GLCS 代表大地坐標(biāo)系統(tǒng)），雙擊打開，里面有個(gè)如圖導(dǎo)入特征點(diǎn)數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。我們把全站儀測(cè)得的標(biāo)靶的坐標(biāo)導(dǎo)入到軟件中。

    我們一共掃描了22站，每站周圍貼2個(gè)。掃描儀掃描的時(shí)候會(huì)以激光發(fā)射中心做為坐標(biāo)原點(diǎn)，起始方向做為X軸建立自己的坐標(biāo)系（SOCS），即掃描儀坐標(biāo)系，我們掃描的站點(diǎn)是互不關(guān)聯(lián)的，現(xiàn)在我們就是把掃描儀掃描的標(biāo)靶的坐標(biāo)符合到全站儀使用的坐標(biāo)系中。這些特征點(diǎn)符合好了，那么所有的點(diǎn)都轉(zhuǎn)換到全站儀使用的坐標(biāo)系中了。

   把掃描儀掃描的坐標(biāo)系導(dǎo)入到軟件以后，使用后視方法，軟件就會(huì)自動(dòng)的解算相關(guān)位置， 等結(jié)算完，坐標(biāo)也轉(zhuǎn)換了。如下圖所示：

圖2-2具有大地坐標(biāo)系的三維點(diǎn)云圖，任一點(diǎn)都具有真實(shí)的大地坐標(biāo)

同樣，我們可以用自動(dòng)校準(zhǔn)模塊來(lái)多點(diǎn)云進(jìn)行更詳細(xì)的拼接，用以提高精度，拼接結(jié)果如下圖所示：

22站都轉(zhuǎn)到了同一坐標(biāo)系下，即4站也拼到了一起，如圖2-3。當(dāng)然拼圖方法還有其他方式，如下：

1. 通過(guò)兩站間的共同標(biāo)靶拼接。

2. 通過(guò)軟件的GPS 模塊自動(dòng)拼接。

3. 根據(jù)測(cè)量的共同點(diǎn)手動(dòng)拼接。

4. 導(dǎo)入到第三方軟件進(jìn)行拼接。

2、贅余點(diǎn)刪除

    掃描儀把它自己“看”到的實(shí)體都會(huì)掃描下來(lái)，這樣掃描完后必然會(huì)有一些贅余數(shù)據(jù)，我們可以根據(jù)不同的需求選擇性的去過(guò)濾一些數(shù)據(jù)或者去人工刪除一些數(shù)據(jù)。

   我們這次任務(wù)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(lái)9棟建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，把其他的多余點(diǎn)刪除。手動(dòng)刪除方式和CAD軟件上選中點(diǎn)，delete鍵刪除相同。除此之外，軟件還有其他多種過(guò)濾方式：如下

      Range gate（距離過(guò)濾）：用戶可以保留距離掃描儀距離范圍內(nèi)或外的點(diǎn)。

      Removeisolatedpoints（孤點(diǎn)過(guò)濾）：如果一個(gè)點(diǎn)在的距離內(nèi)沒有其他掃描點(diǎn)的存在，那么這個(gè)點(diǎn)被稱為孤立點(diǎn)，而被保留或刪除。

      2.5D raster  （光柵過(guò)濾）：此種過(guò)濾用于地形測(cè)量時(shí)樹木等高于地面的地物的過(guò)濾。

Point filter（step：X）隨即過(guò)濾：即點(diǎn)云保留原有個(gè)數(shù)的 1/X。

我們此次保留下的數(shù)據(jù)如圖 2-6，2-7，2-8.

三維點(diǎn)云圖上可進(jìn)行實(shí)際量測(cè)

1、數(shù)據(jù)的詳細(xì)加工

第三步 數(shù)據(jù)整理和成果展示

利用過(guò)濾后的點(diǎn)云進(jìn)行加工，我們將點(diǎn)云導(dǎo)入CAD 之中，使用相關(guān)控件，直接在點(diǎn)云上對(duì)房屋進(jìn)行模型建立。

導(dǎo)入CAD之后，使用pointcloud控件，能夠直接在點(diǎn)云上建立面片和房屋整體模型。

2、項(xiàng)目功能及應(yīng)用范圍解析

    通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)整個(gè)建筑群的掃描，不僅可以得到小區(qū)內(nèi)的實(shí)際尺寸點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且能通過(guò)軟件的力量進(jìn)行快速的三維建模工作，從而得到相應(yīng)的三維模型數(shù)據(jù)，擁有模型數(shù)據(jù)后便能提取任意的二維線畫圖資料。

   建筑建模是三維激光掃描儀的一大主要應(yīng)用方向，掃描儀的特性決定了應(yīng)用于建筑掃描將非常得心應(yīng)手。因?yàn)闊o(wú)論多復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)掃描儀都能完整細(xì)致地將每個(gè)建筑細(xì)節(jié)真實(shí)得從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的角度反映出來(lái)，而且精度范圍可控，加上現(xiàn)今建模軟件越加趨于完善，尤其針對(duì)三維點(diǎn)云建模的軟件和插件層出不窮，對(duì)三維掃描儀應(yīng)用于建筑建模方面提供了強(qiáng)大的后援支持。一般應(yīng)用行業(yè)集中于建筑驗(yàn)收、舊城改造項(xiàng)目、裝飾裝修和數(shù)字城市。