基于三维激光扫描技术的异形建筑物表面积测算方法研究.pdf

第4 6卷第4期2 0 2 3年7月现 代 测 绘M o d e r nS u r v e y i n ga n dM a p p i n gV o l.4 6,J u l.,2 0 2 3 第一作者简介:朱磊,工程师,注册测绘师,研究方向为工程测量。基于三维激光扫描技术的异形建筑物表面积测算方法研究朱 磊(苏州市测绘院有限责任公司,江苏 苏州2 1 5 0 0 9)摘 要 随着经济的发展,建筑行业建造水平也在不断提高,各种异形建筑不断涌现,而一些精美的异形建筑、雕塑往往采用价格昂贵的材料雕塑而成,在进行工程施工结算时,需要精确的表面积以确定工程量。传统的表面积测算常通过表面积测定仪、全站仪等方式进行,不仅测量结果精度低且对于大型异形建筑物难以奏效。以三维激光扫描技术为基础,对异形建筑物表面积测算理论进行可行性分析,并通过某异形桥梁进行验证,研究结果表明,该方法具有很高的实用性和可行性。关键词 三维激光扫描;异形建筑物;表面积中图分类号:P 2 5 5.2;T U 1 9 8 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-4 0 9 7(2 0 2 3)0 4-0 0 5 3-0 40 引 言表面积量算是测绘项目中经常遇到的问题,常见的如文物几何信息测量、人体表面积测量以及异形建筑物工程测量等,而文物、人体一般而言由于整体体积小,采用表面积测定仪直接接触待测目标进行表面积测量,或者利用全站仪采集特征点,再内业通过D TM法、方格网法、等高线法、断面法等进行计算,获得目标物的表面积1。但是该方法存在两方面局限性,一是对于大型异形建筑物而言,由于计算对象大多为曲面、镂空结构的复杂表面,如果基于传统的全站仪免棱镜测量方式,不仅测量精度低,并且内业手工绘制表面积平面图进行计算工作量大,因此给表面积测量增加了较大难度2。另一方面,由于传统方法采集的都是特征点数据,由于采集点数量和密度有限,因此不适用于复杂表面。而表面积高精度计算结果又直接关系到工程造价及各方的利益,因此如何利用现有的技术手段,快速、精确地获取异形建筑物表面积对于工程预算具有十分重要的意义。三维激光扫描技术是近年来发展较为迅速的一种测量技术,其具有快速、高效的特性,一秒内可以获取数百万个点云数据,因此利用三维激光扫描获取的点云数据,拟合三维模型,通过统计计算三角面 片 面 积 获 得 异 形 建 筑 物 整 体 表 面 积 成 为可能3。针对表面积测量计算问题,张海涛等4人提出了一种不规则区域面积的四等分割计算方法,但是该方法只针对平面图形,对于空间结构,未进行有效验证;何诚等5人研究利用免棱镜全站仪获取目标特征点数据,建立目标物表面特征点的坐标方格网,根据方格网法计算土方量的原理来求算表面积,但是这种方法作业效率低、精度可靠性差;孙爱怡等6人通过扫描仪获取的待测目标点云数据,通过构建D e l a u n a y三角网,积分运算统计每个三角面片面积,进而得到待测目标表面积,但是该方法未进行绝对精度验证;张平等7人应用三维激光扫描仪对城市雕塑进行测量,实验验证了该方法的可行性,但是应用案例仅以雕塑为例,验证实例缺乏进一步拓展;石明旺等8人应用三台不同型号的三维激光扫描仪进行不规则物体表面积测量实验,进一步验证了三维激光扫描技术应用于不规则物体高精度表面积测量的可行性。本文利用三维激光扫描技术快速准确地获取目标表面的特征信息,通过点云滤波及分片双线性插值函数拟合目标的曲面,进而通过曲面积分获得目标对象的表面积,并设计实验对表面积量算的绝对精度进行评定。1 理论基础要想计算目标表面积,首先要通过一定技术方法获得目标表面海量点云数据,通过数学函数将目标物表面化分成一个个三角或者四角网,通过统计三角网或者四角网面积,即可求取目标对象的表面积3-6。而通过三维激光扫描技术获得的目标表面点云为离散点,因此需要对其进行表面拟合才能用于表面积计算。假设目标表面对应的平面投影区域为,则其可表达为:z=f(x,y),(x,y)(1)将平面区域分割为若干个正方形网格i,j。其中,i=0,1,2,N;j=0,1,M。网格对应的4个角点坐标分别为:(xi,j,yi,j)、(xi,j+d,yi,j)、(xi,j,yi,j+d)、(xi,j+d,yi,j+d)。其中,xi+1=xi+d,(i=0,1,N);yi+1=yi+d,(j=0,1,M)。d为网格大小,网格4个角点对应的曲面z值分别zi,j、zi+1,j、zi,j+1、zi+1,j+1,则可构造双线性插值函数为:z=(1-u)(1-v)zi,j+u(1-v)zi+1,j+(1-u)v zi,j+1+u v zi+1,j+1(2)式中,u=x-xi,jd、v=y-yi,jd,目标函数被拟合成一个双曲面,其曲面面积可通过曲面积分表示为:si j=1+z2x+z2yd x d y(3)2 可行性验证实验验证对象为某艺术壁画雕刻,该雕刻主体部分高1.2 m,宽0.9 m,背 景 部 分 高1.8 m,宽1.3m,该壁画雕刻为石膏结构,可利用表面积测定仪直接接触测量方便精度验证。为了验证三维激光扫描测量相较于传统作业方法测量表面积的优势,采用传统的表面积测定仪、全站仪免棱镜两种传统测量方法从精度和效率两方面进行对比验证。三维激光扫描仪进行表面积测算时,内业通过对海量的三角面片,自动对获取的被测矢量坐标信息进行计算得到雕刻结构表面积,雕刻拟合的三维模型效果如图1所示。图1 雕塑三维模型表面积测定仪通过接触雕刻直接获取表面积数据,全站仪免棱镜法将特征点导入相关软件中进行表面积计算,实验对比结果如表1和表2所示(较差和相对较差,分别以表面积测定仪和全站仪测量数据为基准)。表1 三维激光扫描仪与表面积测定仪实验结果对比待测目标分块名三维激光扫描仪/m2表面积测定仪/m2较差/m2相对误差壁画雕塑人体部分0.7 10.7 5-0.0 4-5.3%背景部分2.3 52.2 80.0 73.1%合计3.0 63.0 30.0 31.0%表2 三维激光扫描仪与全站仪实验结果对比待测目标分块名三维激光扫描仪/m2全站仪/m2较差/m2相对误差壁画雕塑人体部分0.7 10.7 8-0.0 7-9.0%背景部分2.3 52.1 90.1 67.3%合计3.0 62.9 70.0 93.0%由表1、表2可知,针对人体部分的面积测量,三维激光扫描仪的测量结果与表面积测定仪、全站仪的相对误差分别为-5.3%和-9.0%;针对背景部分的面积测量,三维激光扫描仪的测量结果与表面积测定仪、全站仪 的 相 对 误差 分 别为3.1%和7.3%。由此表明,相对于表面积测定仪、全站仪等传统表面积测量方法,将三维激光扫描仪应用于异形建筑物表面积测算是可行的。此外,实验过程中发现采用表面积测定仪测量不能对雕刻凹入部分完全接触测量,会造成部分区域表面积丢失;采用全站仪免棱镜测量方法时,由于采集的部分特征点,不能对雕塑表面进行精细化测量,特征点构成的模型不能真实反映出雕塑的形状,因此可能出现较大误差9;而采用三维激光扫描仪,能获得异形建筑物表面的大量点云数据,从而构建出精度较高的建筑物表面三维模型,获得精度较高的表面积数据。从效率上来看,表面积测定仪效率最高,但是该方法局限性较大,只能应用于能直接接触的小体积待测目标;其次是三维激光扫描仪,而全站仪免棱镜法效率最低。综合精度和效率两方面来看,利用三维激光扫描仪进行异形建筑物表面积测量,精度较高,应用范围广,自动化程度高,优势明显。3 工程应用3.1 工程概况目标待测建筑物为一异形桥梁,该桥梁是某市特色景观形象,桥梁外观以国内首创的“珊瑚贝”装饰拱为主体,全长2 9 0m,桥面宽为3 6m,双向6车道,结构采用六跨两联连续钢结构箱梁。但是桥梁45现 代 测 绘 第4 6卷由于跨海建造,常年受到海风、海水侵蚀,因此建筑物表面需要附着某特殊化学材料,由于材料造价昂贵,因此急需高精度测量桥体表面积,以方便核算工程造价。而该异形桥体,因其法向量方向多变的流线曲面结构,造型多孔设计,且来往车流量不断,无法使用常规测量方法得出它的表面积。因此,选用三维激光扫描仪采集桥体点云数据,通过内业分析计算获得桥体表面积。项目主要流程包括:数据采集、点云数据处理、三维建模及表面积计算3个阶段。具体工作流程如图2所示。图2 项目工作流程点云数据采集主要是外业对待测目标进行点云数据获取,外业数据采集一般需要布设靶标方便拼接,实际工作中根据场景情况选择球形或者平面靶标;点云数据预处理主要是点云配准、裁剪、去噪、抽稀等,以获得目标物最优化的点云数据;建模及表面积分析是项目工作的重点,主要是对优化后的点云数据进行三维模型重建、网格优化以及表面积计算,最终获得目标物表面积数据。3.2 外业数据采集异形桥梁属于城市主干路,来往车辆较多,两侧有人行景观通道,外业测量前,为保证外业采集人员和仪器安全以及点云数据的完整性,减少不必要的补测和重复测量,外业数据采集时采用“蛇形”路线采集方案,如图3所示。图3 外业测站布设方案本项目共布设6站测站,通过“蛇形”路线采集方案,可以保证桥梁两侧数据采集的完整性,并且在第1和第6测站上,要与异形桥梁主体有一定距离再进行采集,以方便在合适角度下采集到的完整的桥梁顶部点云数据。内业计划通过靶标球方式进行拼接,因此外业数据采集时,靶标球同样在桥梁两侧都需要布设,并且保证不得有3个及以上靶标球共线或者共高1 0。3.3 点云数据预处理本项目中由于桥体两侧是对称结构,并且空旷,桥体两侧海水,因此选择特征点的方式误差大、效率低。根据外业布设靶标球情况,内业采用靶标拟合方式进行桥梁拼接;而外业作业过程中车辆、行人不断,因此内业需要将不属于桥体部分“分割”掉,减小非桥体连接部分增设误差;在点云精简上,由于项目组计算机配置较高,而后期需要进行点云拟合操作,因此预处理中不对点云数据进行精简操作。经处理后的桥体点云数据如图4所示。图4 桥体点云数据3.4 点云拟合和表面积计算三维模型重建选择D e l a u n a y算法进行点云拟合,通过遵循“最小角最大”和“空外接圆”准则,建立待测目标的三维模型。由于桥梁整体结构较大,将桥梁预处理后的点云数据分割成“桥拱”和“桥面”两个部分,分别拟合计算两部分表面积。点云拟合选择的是G e o m a g i cs t u d i o软件,该软件较好地集成了D e l a u n a y算法,对曲面、异形结构进行模型重建效果较好,首先将预处理后的.a s c格式的点云数据导入到G e o m a g i cs t u d i o软件中,然后对点云数据着色处理,方便对桥梁点云数据更好观察,由于模型重建对点云质量要求较高,因此为再次去除桥梁点云噪声点,还需要应用软件功能删除体外孤点、非连接点,根据点云模型类型选择合适的参数,直到剔除干净为止。最后进行点云封装就可以得到雕塑模型,选择软件“封装”功能,对整体点云数据生成复杂性体表面的D e l a u n a y三角网。“桥拱”拟合后的三维模型如图5所示。图5 桥拱三维模型55第4期朱 磊:基于三维激光扫描技术的异形建筑物表面积测算方法研究 由于拟合后的三维模型还会存在法线相交和孔洞等情况,影响表面积计算精度,因此还需要对模型进行孔洞填补、删除钉状物和平滑模型表面等操作,最终得到完整的桥梁三维模型,得到模型海量的三角面片,自动对获取的被测矢量坐标信息进行计算,即可得到该模型精确的表面积。效果如图6所示。图6 桥体三维模型通过“表面积”计算工具测算,其中“桥拱”计算得到的表面积为5 2 1.3 3m2,“桥面”计算得到的表面积 为4 0 7.2 5 m2,得 到 桥 梁 整 体 表 面 积 为9 2 8.5 8m2。4 结 语本文以某异形桥梁表面积测算为案例进行研究,利用三维激光扫描技术准确、高效地计算了桥梁的表面积,并且还建立了桥梁三维模型,可方便后期数字化应用存档。通过本文的研究和试验,证明了三维激光扫描技术应用于复杂的城市异形建筑物表面积测量是可行的。相比较传统的表面积测定仪和全站仪测算方式,三维激光扫描技术的应用使内外业操作的时间减少了,而精度更高,为今后异形建筑物表面积的计算提供一种全新的方法。参考文献1 王珍,刘鹏飞,李冠.三维激光扫描技术在矿山表面积计算中的应用J.北京测绘,2 0 2 0,3 4(1):8 7-9 1.2 王伟,段虎荣,张德成,等.一种求解三维激光扫描后不规则体的体积及表面积方法J.测绘与空间地理信息,2 0 1 9,4 2(8):1 7 2-1 7 5.3 袁峥,李俊峰,朱元彪.基于三维激光扫描技术的表面积测绘J.测绘工程,2 0 1 7,2 6(9):6 5-6 7.4 张海涛,杨敏华.不规则区域面积的矩形四等分割计算法J.测 绘 与 空 间 地 理 信 息,2 0 1 1,3 4(6):2 7 2-2 7 4.5 何诚,张思玉,MA T T E OC ONV E R T I NO,等.基于方格网 法 的 树 冠 体 积 测 算 方 法 J.农 业 机 械 学 报,2 0 1 4,4 5(1 2):3 0 8-3 1 5.6 孙爱怡,王健,赵富燕,等.基于三维激光扫描技术的不规则物体表面积的测定方法J.测绘与空间地理信息,2 0 1 6,3 9(6):3 6-3 9.7 张平,熊德峰,朱龙军.三维激光扫描技术在城市雕塑表面积测量中的应用J.测绘通报,2 0 2 0(S 1):1 1 4-1 1 7.8 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n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n,a c c u r a t es u r f a c ea r e a i sn e e d e dt od e t e r m i n et h eq u a n t i t i e s.T h et r a d i t i o n a l s u r f a c ea r e am e a s u r e m e n t i so f t e nc a r r i e do u t b ys u r f a c e a r e am e a s u r i n g i n s t r u m e n t a n d t o t a l s t a t i o n,w h i c hn o to n l yh a sl o w a c c u r a c y,b u ta l s oi sd i f f i c u l tt ob ee f f e c t i v ef o rl a r g e-s c a l es p e c i a l-s h a p e db u i l d i n g s.B a s e do nt h et h r e e-d i m e n s i o n a l l a s e r s c a n n i n gt e c h n o l o g y,t h i sp a p e r a n a l y z e s t h e f e a s i b i l i t yo f t h e c a l c u l a t i o nt h e o r yo f t h e s u r f a c ea r e ao f s p e c i a l-s h a p e db u i l d i n g s,a n dv e r i f i e si tt h r o u g has p e c i a l-s h a p e db r i d g e.T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h i s m e t h o dh a sh i g hp r a c t i c a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y.K e yw o r d s t h r e e-d i m e n s i o n a l l a s e rs c a n n i n g;s p e c i a l-s h a p e db u i l d i n g s;s u r f a c ea r e a65现 代 测 绘 第4 6卷