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    FARO法如S350三維激光掃描儀在建筑建模的應(yīng)用

    2020-05-04 13:51:44  來源：深圳市鵬錦科技有限公司

    法如S350三維激光掃描儀在建筑建模的應(yīng)用,

    項(xiàng)目概況：掃描區(qū)域是長春市陽光世家小區(qū)，實(shí)施項(xiàng)目是小區(qū)剛建成竣工，業(yè)主單位希望通過對整片小區(qū)進(jìn)行快速的測量，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)，從而對比設(shè)計(jì)之初與建成之后的相對偏差，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)字城市平臺完善更新。
    項(xiàng)目特點(diǎn)分析
    建筑竣工驗(yàn)收一般通過常規(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，還需要保證各個建筑結(jié)構(gòu)尺寸的逐個測量。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。
    數(shù)據(jù)獲取
    掃描作業(yè)前的準(zhǔn)備
          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
    2.木質(zhì)三角較              1個
    3.人員配備                2人
    作業(yè)詳細(xì)步驟
    根據(jù)測試要求，根據(jù)所提供的控制點(diǎn)個數(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
     
    圖1-1
    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)靶正對著掃描儀，這樣在掃描儀精掃標(biāo)靶的時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)換的過程中也把坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差降低到*小。
    每秒可以掃描30萬個點(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。掃描到柱子上的2個點(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
     
    圖1-2
    這樣2個人操作掃描儀，每站作業(yè)時間大概10分鐘就能完成。
    標(biāo)靶中心坐標(biāo)的獲取
    這次測量用的標(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，我們在PC上通過軟件找到掃描點(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，掃描儀會精細(xì)掃描標(biāo)靶，在這個標(biāo)靶上會掃描4000個測量點(diǎn)，通過這4000個點(diǎn)擬合出來標(biāo)靶的中心，如果標(biāo)靶是圓形的，則擬合出來標(biāo)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(biāo)靶中心。用全站儀獲取標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，只需望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)標(biāo)靶的中心即可。
     
                             圖1-3   反射片
     
    圖1-4
    數(shù)據(jù)預(yù)處理
    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，在Excel里編輯成（E N Z）格式的數(shù)據(jù)，在以.csv的數(shù)據(jù)格式保存下來。
    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選項(xiàng)（GLCS代表大地坐標(biāo)系統(tǒng)），雙擊打開，里面有個如圖導(dǎo)入特征點(diǎn)數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。我們把全站儀測得的標(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。掃描儀掃描的時候會以激光發(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，軟件就會自動的解算相關(guān)位置，等結(jié)算完，坐標(biāo)也轉(zhuǎn)換了。如下圖所示：
     
    圖2-1
     
    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，我們可以用自動校準(zhǔn)模塊來多點(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：
     
    圖2-3
    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.通過兩站間的共同標(biāo)靶拼接。2.通過軟件的GPS模塊自動拼接。
    3..根據(jù)測量的共同點(diǎn)手動拼接。4.導(dǎo)入到第三方軟件進(jìn)行拼接。
     
    圖2-4全部點(diǎn)云俯視圖
     
    圖2-5彩色點(diǎn)云俯視
    贅余點(diǎn)刪除
    掃描儀把它自己“看”到的實(shí)體都會掃描下來，這樣掃描完后必然會有一些贅余數(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濾方式：如下
    1. Range gate（距離過濾）：用戶可以保留距離掃描儀指定距離范圍內(nèi)或外的點(diǎn)。
    2. Remove isolated points（孤點(diǎn)過濾）：如果一個點(diǎn)在指定的距離內(nèi)沒有其他掃描點(diǎn)的存在，那么這個點(diǎn)被稱為孤立點(diǎn)，而被保留或刪除。
    3. 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
    4. Point filter（step：X）隨即過濾：即點(diǎn)云保留原有個數(shù)的1/X。
    我們此次保留下的數(shù)據(jù)如圖2-6，2-7，2-8.
     
    圖2-6單棟建筑物點(diǎn)云圖
     
    圖2-7單棟建筑物點(diǎn)云圖(貼紋理)
     
    圖2-8 三維點(diǎn)云圖上可進(jìn)行實(shí)際量測
    數(shù)據(jù)整理和成果展示
    數(shù)據(jù)的詳細(xì)加工
             利用過濾后的點(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)云上對房屋進(jìn)行模型建立。
          
    圖3-1
         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。
     
    圖3-2
    （利用CAD中的KUBIT插件，根據(jù)導(dǎo)入的樓體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，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(jīng)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(jìn)行展示了。結(jié)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(qū)總體平面圖（1:500）
     
          圖3-10  1號樓部分拐點(diǎn)的大地坐標(biāo)（不帶高程）
    項(xiàng)目功能及應(yīng)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(qū)內(nèi)的實(shí)際尺寸點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且能通過軟件的力量進(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，而且精度范圍可控，加上現(xiàn)今建模軟件越加趨于完善，尤其針對三維點(diǎn)云建模的軟件和插件層出不窮，對三維掃描儀應(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。
    法如S350三維激光掃描儀在建筑建模的應(yīng)用,
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    賴小姐