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摘要：本文主要介绍了三维激光扫描仪的基本原理，以大连理工大学能源与动力学院的测绘为例，说明了应用三维激光扫描技术对建筑物测绘建模的方法及流程，并归纳了目前该技术用于测绘建筑物需要解决建的问题。
关键词：地面三维扫描仪；点云；三维建模；测绘
对于大规模高精度的建筑物的测绘，传统的测绘方法测绘效率低、部分测点难以测到。三维激光扫描技术数字化、快速、精准、快速、不接触的特点正好可以解决这类问题。然而目前国内测绘大部分是使用全站仪或者GPS，很少用到三维激光扫描仪，本文通过利用三维激光扫描仪对大连理工大学能源与动力学院的测绘建模与传统建筑物测绘进行比较，分析其优缺点，便于推广。
一、三维激光扫描技术
（一）三维激光扫描仪的工作原理
三维激光扫描仪在工作过程中，利用水平角反射镜以及测量天顶距反射镜有序旋转的形式，对空间距离、水平角度、天顶距里进行测量。通过计算坐标的方式来确定所测物体的三维坐标，实现绘图[1]。
（二）三维激光扫描数据的采集
在本次三维激光扫描数据的采集中，共设置了12个测站，每测站的扫描时长为8分钟，每两测站之间的距离在35米左右，测站与建筑物的距离在10米左右，标靶球的放置位置与测站的距离在20米内。
（三）点云数据的处理及模型建立
1. 点云数据的导入
点云原始数据在仪器配套的Faro Scene软件转换成WRL、dxf等格式，即可导入到Geomagic Studio软件中进行后处理。
2.噪音点及杂点的删除
点云数据采集的过程中难免会出现一些噪音点，本次数据处理采用中等降噪等级。软件提供对体外孤点和非连接项的删除功能，然而考虑到可能会误删除建筑物的部分小部件，所以雜点的删除主要采用手动删除的方式。杂点删除前后对比如图1所示。
3.三维模型的建立
3.1点云数据合并封装
在点云的合并封装中要注意设置删除重叠。为了保证点云的整体不会有缺失，点云的合并封装中要对小组件进行保留。
3.2孔洞修补
三维模型建立后，模型表面会出现一些漏洞。根据漏洞种类的不同，分别使用内部孔、连接孔、搭桥方式对孔洞进行修补。
3.3去除特征
经过三角网格化的模型表面并不够平滑，部分区域会有肿块和压痕，利用去除特征命令可以快熟去除对象上的肿块和压痕。去除特征处理前后的点云数据见图2
3.4模型的简化
为了方便对模型的浏览、编辑，需要将模型在满足使用精度的前提下进行简化处理。简化后的模型再曲率大的区域会保留足够多的点，再曲率小的地方会保留较少的点。所以简化后的模型特征将会得到保证，不会因此失真。将模型简化到70%最终处理效果与实景拍摄如图3所示。
二、存在的问题与解决思路
在本次创新研究中主要遇到以下几方面的问题：
（1）由于所测建筑物的楼层较高，部分建筑物最上层的细节并没有采集到。因此，有条件的情况之下可以将仪器加高并提高扫描点云的获取密度，这样就可以得到更完整的模型。
（2）三维扫描仪能够不加筛选的获取建筑物表面及周围实物的信息，然而当建筑物周围的遮挡过于密集时，难以完整获取建筑物的边缘的轮廓特征并伴随较多杂点。所以对于外形结构并不复杂并且遮挡比较严重的建筑物的测绘，传统的测绘方式可能会更加占优势。
（3）地面三维扫描仪所测的点云数据，在窗户位置存在的大量的无用杂点，对杂点的删除需要的大量的时间。如果仪器能够自动过滤掉对玻璃的扫描点，将会大幅度提高对带有玻璃的建筑的点云处理效率。
三、总结与展望
三维扫描仪扫描技术是目前世界上获取三维空间数据的最先进的技术之一，在建筑文物的保护、变形观测、医学和工业测量、虚拟现实等领域有着一定的应用。该技术的无接触、高效率、高密度、高精度的特点，能够大幅度地提高外业测绘的工作效率，在工程测量中具有较好的应用前景。
就目前三维激光扫描技术的应用状况而言仍然有着不足之处：一是价格昂贵，国内目前应用范围较小，不够贴近日常生活；二是没有统一的处理软件，数据处理对电脑的硬件及作业人员的要求高、数据的处理不能够达到一体化进行；三是对于仪器的测量精度等级、数据的处理精度等级没有国家的统一标准。
对于三维扫描技术有以下几方面的展望：一是高精度三维扫描仪的国产化，降低仪器的价格。对三维扫描技术进行大规模的推广，不仅在工程中使用，日常生活中也可以使用。二是建立统一的扫描数据处理平台，使得点云数据处理更加快速、操作更加简便；三是国家对三维扫描技术作出相关的规范，实现行业的规范化。
参考文献：
[1]吴桥军，李永超.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘研究[J].资源信息与工程，2016，31（6）：103-104.
基金项目：
大连理工大学土木工程专业本科生创新研究开放基金。
关键词：地面三维扫描仪；点云；三维建模；测绘
对于大规模高精度的建筑物的测绘，传统的测绘方法测绘效率低、部分测点难以测到。三维激光扫描技术数字化、快速、精准、快速、不接触的特点正好可以解决这类问题。然而目前国内测绘大部分是使用全站仪或者GPS，很少用到三维激光扫描仪，本文通过利用三维激光扫描仪对大连理工大学能源与动力学院的测绘建模与传统建筑物测绘进行比较，分析其优缺点，便于推广。
一、三维激光扫描技术
（一）三维激光扫描仪的工作原理
三维激光扫描仪在工作过程中，利用水平角反射镜以及测量天顶距反射镜有序旋转的形式，对空间距离、水平角度、天顶距里进行测量。通过计算坐标的方式来确定所测物体的三维坐标，实现绘图[1]。
（二）三维激光扫描数据的采集
在本次三维激光扫描数据的采集中，共设置了12个测站，每测站的扫描时长为8分钟，每两测站之间的距离在35米左右，测站与建筑物的距离在10米左右，标靶球的放置位置与测站的距离在20米内。
（三）点云数据的处理及模型建立
1. 点云数据的导入
点云原始数据在仪器配套的Faro Scene软件转换成WRL、dxf等格式，即可导入到Geomagic Studio软件中进行后处理。
2.噪音点及杂点的删除
点云数据采集的过程中难免会出现一些噪音点，本次数据处理采用中等降噪等级。软件提供对体外孤点和非连接项的删除功能，然而考虑到可能会误删除建筑物的部分小部件，所以雜点的删除主要采用手动删除的方式。杂点删除前后对比如图1所示。
3.三维模型的建立
3.1点云数据合并封装
在点云的合并封装中要注意设置删除重叠。为了保证点云的整体不会有缺失，点云的合并封装中要对小组件进行保留。
3.2孔洞修补
三维模型建立后，模型表面会出现一些漏洞。根据漏洞种类的不同，分别使用内部孔、连接孔、搭桥方式对孔洞进行修补。
3.3去除特征
经过三角网格化的模型表面并不够平滑，部分区域会有肿块和压痕，利用去除特征命令可以快熟去除对象上的肿块和压痕。去除特征处理前后的点云数据见图2
3.4模型的简化
为了方便对模型的浏览、编辑，需要将模型在满足使用精度的前提下进行简化处理。简化后的模型再曲率大的区域会保留足够多的点，再曲率小的地方会保留较少的点。所以简化后的模型特征将会得到保证，不会因此失真。将模型简化到70%最终处理效果与实景拍摄如图3所示。
二、存在的问题与解决思路
在本次创新研究中主要遇到以下几方面的问题：
（1）由于所测建筑物的楼层较高，部分建筑物最上层的细节并没有采集到。因此，有条件的情况之下可以将仪器加高并提高扫描点云的获取密度，这样就可以得到更完整的模型。
（2）三维扫描仪能够不加筛选的获取建筑物表面及周围实物的信息，然而当建筑物周围的遮挡过于密集时，难以完整获取建筑物的边缘的轮廓特征并伴随较多杂点。所以对于外形结构并不复杂并且遮挡比较严重的建筑物的测绘，传统的测绘方式可能会更加占优势。
（3）地面三维扫描仪所测的点云数据，在窗户位置存在的大量的无用杂点，对杂点的删除需要的大量的时间。如果仪器能够自动过滤掉对玻璃的扫描点，将会大幅度提高对带有玻璃的建筑的点云处理效率。
三、总结与展望
三维扫描仪扫描技术是目前世界上获取三维空间数据的最先进的技术之一，在建筑文物的保护、变形观测、医学和工业测量、虚拟现实等领域有着一定的应用。该技术的无接触、高效率、高密度、高精度的特点，能够大幅度地提高外业测绘的工作效率，在工程测量中具有较好的应用前景。
就目前三维激光扫描技术的应用状况而言仍然有着不足之处：一是价格昂贵，国内目前应用范围较小，不够贴近日常生活；二是没有统一的处理软件，数据处理对电脑的硬件及作业人员的要求高、数据的处理不能够达到一体化进行；三是对于仪器的测量精度等级、数据的处理精度等级没有国家的统一标准。
对于三维扫描技术有以下几方面的展望：一是高精度三维扫描仪的国产化，降低仪器的价格。对三维扫描技术进行大规模的推广，不仅在工程中使用，日常生活中也可以使用。二是建立统一的扫描数据处理平台，使得点云数据处理更加快速、操作更加简便；三是国家对三维扫描技术作出相关的规范，实现行业的规范化。
参考文献：
[1]吴桥军，李永超.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘研究[J].资源信息与工程，2016，31（6）：103-104.
基金项目：
大连理工大学土木工程专业本科生创新研究开放基金。