三維激光掃描技術在歷史建筑物測繪中的應用

劉永鋒，李翅，周凱，李浩，劉傳逢

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

三維激光掃描技術是一種無須接觸測量目標就可以快速獲取物體表面的三維坐標數據，然后利用相關的后處理軟件來構建出掃描實體真實的三維模型的測量技術，又稱為“實景復制技術”[1]。利用該技術所獲取的三維坐標數據被稱為“點云”數據，可以實時、快速、動態、真實地反映客觀事物的現狀，為科學準確地建立數字模型提供一種全新的技術手段。與激光測距技術中點對點的測量方法不同的是，三維激光掃描技術使傳統的人工單點數據獲取變為連續自動獲取批量數據，不僅極大提高了測量的速度，也提高了測量的精度和密度，是目前國內外測繪領域研究關注的熱點之一[2～5]。

在以往涉及建筑物平立面測繪的工程中，通常采用的辦法是架設全站儀獲取建筑物的三維點坐標，結合卷尺及測距儀量取建筑物的細部尺寸，同時需要繪制草圖，然后將測量數據展繪到CAD等繪圖軟件中，依照外業草圖繪制建筑物平立面圖。這種方法不僅人員投入多、工作量大、工期長，而且在針對較為復雜的建筑物時很難滿足精度要求，有時針對特別復雜的異形建筑物時甚至束手無策[6，7]。

本文以受武漢地鐵集團有限公司委托的關于勝利倉庫地鐵博物館改造項目為實例，采用徠卡公司生產的高精度地面三維激光掃描儀P40，結合與儀器配套的三維激光點云數據處理軟件Cyclone 9.1及AutoCAD激光點云數據處理插件CloudWorx，探索了地面三維激光掃描技術在歷史建筑物測繪中的應用。

2 理論基礎

從掃描方式上來劃分，地面三維激光掃描系統分為移動式掃描系統和固定式掃描系統兩種。固定式掃描系統類似于傳統測量中的全站儀，不同的是固定式掃描儀采集的并不是離散的單點三維坐標，而是物體表面的海量三維坐標數據。從硬件結構上來看，地面三維激光掃描系統主要由三部分構成：掃描儀、控制器和電源供應系統。激光掃描儀又包括激光測距系統和激光掃描系統，同時也集成了CCD和儀器內部控制及校正等系統[8]。

地面三維激光掃描系統一般使用儀器自定義的坐標系統：坐標原點位于掃描儀中心，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面，如圖1所示。激光測距系統采用脈沖式測距、相位式測距、激光三角法測距等方式測算出原點O距激光掃描點的距離S；激光掃描系統通過內置伺服驅動馬達系統精確控制多面反射棱鏡的轉動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描，測量得到每個脈沖激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ。由此，可計算出掃描激光點在被測物體上的三維坐標為[9]：

(1)

圖1 掃描坐標系統

3 作業流程

勝利倉庫地鐵博物館改造建筑物結構及平立面測量項目的委托方為武漢地鐵集團有限公司，該項目需要以線劃圖的形式(平面圖、立面圖)還原位于江岸區四維路、勝利街交叉口的A、B兩棟歷史建筑的結構原貌，為地鐵博物館改造的設計、施工提供必要的第一手資料，屬于一種典型的逆向工程。A棟建筑為近代租界區德商瑞記洋行，原為三層建筑，后其上又加建一層，保留建筑面積為 4 200 m2，如圖2所示。B棟建筑與A棟建筑緊鄰，為近代租界區金銀券倉庫，保留建筑面積為 9 000 m2，如圖3所示。該歷史建筑年代久遠，內部結構復雜，且墻體、梁及柱均變形嚴重，在對建筑物進行平立面測繪及面積測量時，如果采用常規全站儀設站方式，須逐層逐邊進行量測后再進行手工繪制分層平面及立面圖。這樣做不僅內外業工作量巨大，且圖形不規則，精度難以達到要求，這給傳統測繪帶來了巨大挑戰。基于以上考量，此項目采用徠卡公司最新生產的第八代高精度三維激光掃描儀P40進行外業數據的獲取，并采用配套的點云數據處理軟件Cyclone 9.1及AutoCAD插件CloudWorx進行后期數據的處理。整個作業流程分為外業掃描過程和內業處理兩部分，如圖4所示。

圖2 A棟建筑

圖3 B棟建筑

圖4 作業流程

3.1 外業掃描

(1)現場踏勘

根據歷史建筑物內部和外部的實際情況，確定出合適的儀器架設位置，并根據現場情況設計合適的測站數，以確保選擇的測站能夠覆蓋需要掃描的全部區域，并保證點云精度和密度。

(2)控制點布設

地面三維激光掃描儀進行掃描時使用的是儀器自定義的坐標系統，為了后期將完整的拼接結果轉換到統一坐標系(國家、地方)，就需要在采集點云數據前在踏勘現場的基礎上布設、測定高密度、高精度的控制網，然后根據掃描設備的特點和掃描對象的色彩、材質等屬性進行掃描測繪。為滿足建筑工程規劃驗收測量精度的要求，本工程以《城市測量規范》(CJJ/T8-2011)及《衛星定位城市測量技術規范》(CJJ/T 73-2010)為依據布設控制網。控制網的布設需要參考一下幾個原則：控制網的精度要高于建筑物建模要求的精度；控制網中各相鄰控制點之間要通視，即要求一個控制點至少與兩個控制點通視；控制網布設的網型要合適，能使得掃描儀完全獲取建筑物數據；控制點與被測建筑物之間的距離最好保持在 50 m以內來提高精度。

(3)標靶布設

由于單站掃描范圍的局限性，一個完整的工程往往需要進行多次轉站掃描。每站掃描數據都有一個獨立的坐標系，在將多站數據進行拼接時需要將多站數據轉換到一個坐標系中，在坐標轉換過程中，通過對公共點的測量來計算轉換參數。為了保證轉換精度，公共點一般采用特制的球面(形)標靶和平面標靶。標靶的布設要滿足以下幾個原則：相鄰測站間有兩個或兩個以上的公共標靶；標靶不能和測站點分布在同一直線上；標靶必須和測站通視，且距離測站不宜太遠。

(4)點云數據采集

目前國內外生產的地面三維激光掃描儀的品牌和類型較多，性能和精度也各有差異。根據工程要求對比選型后，本項目選擇采用徠卡三維激光掃描儀ScanStation P40進行點云數據的獲取，其主要性能參數如表1所示。掃描步驟大致分為儀器安置、儀器參數設置、開始掃描、換站掃描等幾個過程。外業數據的采集工作耗時2.5天，共架設103站，獲取到包括測區全部區域在內的29億個三維點。

P40三維激光掃描儀性能參數 表1

3.2 內業處理

點云數據的后處理使用與硬件配套的點云數據處理軟件Cyclone 9.1，建筑物平立面圖的繪制及面積計算使用AutoCAD軟件。整個點云數據后處理過程包括點云拼接、坐標系歸一化、點云去噪、點云合并、點云切割及平立面圖繪制等幾個流程，具體處理步驟如下：

(1)點云拼接與坐標系歸一化

點云拼接是通過一定的約束條件將多站點掃描數據配準到統一坐標系中的過程，拼接完成之后將得到一個項目的完整點云。一般有兩種方式：基于標靶的拼接和基于點云的視圖拼接。基于標靶拼接的前提是掃描儀現場在整平狀態下的掃描站點與站點之間有兩個或者兩個以上的公共標靶，該方式的自動化程度較高；基于點云的視圖拼接是利用站點之間掃描的公共區域進行的半自動拼接，該方式需要依靠人眼來識別曲率、輪廓線等特征，人為因素干擾較大。根據現場條件，項目采用兩種方式混合拼接的方式，即基于標靶拼接與基于視圖拼接兩種方式結合在一起使用：在室外方便布設控制點的地方采用標靶拼接，室內不便布設控制點的地方采用視圖拼接。具體步驟包括新建一個Registration，在Registration中添加相鄰的站點數據，添加約束條件，拼接點云等，這一系列操作可以通過Registration菜單下的工具實現。如圖5所示為所有站點點云數據拼接后的建筑物整體效果，圖6為建筑物內部局部結構圖。

圖5 完整點云數據

圖6 部分內部結構

(2)點云去噪與點云合并

點云去噪是一種點云優化過程。在掃描儀的原始點云中往往包含若干對于成果處理有不良影響的點，去噪就是通過一定的處理手段，讓有效點保留，無效點刪除的過程。點云去噪可以通過Fence工具和Limit Box工具實現。點云合并也叫點云統一化，也是對點云進行優化的一種處理方式，目的是將整個視圖中的多站點云統一處理為單一的合并點云，統一化處理完成后，點云的瀏覽、選擇等操作都會在原有的基礎上變得更加流暢。點云合并可以通過Unify Clouds工具或Merge工具實現。

(3)點云切割與平立面圖繪制

點云的切割操作是為后續的輪廓線描繪做準備。利用Cyclone 9.1軟件的Cutplane切片工具分別從水平和垂直的方向對點云數據進行切片處理，切片厚度根據具體情況調整，以能夠直觀清晰地看到建筑物墻體、門、窗、樓梯等構件的輪廓線為準。為了保證切片切割的面為水平或垂直方向，通常需要將Reference Plane參考面工具與切片工具一同使用。先根據某點建立XY、XZ或YZ方向的參考面，再通過參考面定義切片即可。切片厚度由實際需要決定，或者根據點云的掃描密度決定，掃描點云越密集，切片厚度可以設置得越薄，后續通過參考面生成的各種成果的精度也將更高。

由于項目要求的是恢復歷史建筑物的原貌，而不完全是根據現場情況測繪出建筑物現狀，這給工程的推進又加大了不小的難度。為了做到這一點，需要工程人員在平立面圖繪制的整個過程中都要注意判斷、區分建筑原貌部分和后期加蓋部分。比如圖7為工程人員現場拍攝的A棟一樓大廳的局部照片，圖8為該部分的三維掃描點云數據。圖中標記為“1”的部分是建筑物柱子的原貌，標記為“2”的部分為后期裝修時在柱子外圍包裹的一層貼磚。為了提取原始柱子的輪廓線，需要在柱子中間沿水平面切割點云數據。正確的裁切面應經過“1”處；否則，若在“2”處選擇切面裁切將會使得柱子長寬變大，與原貌不符。

圖7 A棟大廳照片

圖8 A棟大廳點云圖

梁是建筑物中重要的構件，項目需要準確地反映其長、寬及相對位置。在常規的建筑中，梁一般是橫平豎直地規則分布，在該歷史建筑物中有局部的梁表現出了特殊性。如圖9所示，該部分有一段西南-東北走向的斜梁，利用傳統測繪手段不僅操作困難，且難以準確確定橫梁與斜梁的連接位置。然而將獲取的點云數據導入CAD進行輪廓描線能輕松實現。最終還原出該局部梁的分布情況，如圖10所示。

圖9 B棟2層局部梁點云圖 圖10 B棟2層局部梁線劃圖

利用CloudWord插件中的導入ModelSpace視圖功能將切割好的切片視圖加載到AutoCAD軟件中，再用CAD的畫線功能繪制立面圖和平面圖，如圖11所示。部分無法識別的細部可利用Measurements量測工具進行輔助繪制，點云量測需多次量測取平均值。由于樹木或車輛遮擋而導致無法準確繪制尺寸的部位，則需要到現場使用常規方法進行補測。

圖11 在AutoCAD中繪制平立面圖

最終的測繪成果包括A、B兩棟建筑的各個立面圖及分層平面圖，如圖12～圖16所示(以B棟建筑部分成果為例)。

圖12 B棟二層平面圖

圖13 B棟二層房頂平面

圖14 B棟立面圖(南)

圖15 B棟立面圖(北)

圖16 B棟立面圖(東)

4 結論與展望

4.1 結論

地面三維激光掃描技術是近年來剛發展起來的一項高新技術，本文在對該技術的原理做了充分了解后，結合歷史建筑物原貌恢復的實際工程項目，重點研究了該技術在結構復雜的歷史建筑物測繪中的應用。通過布設控制網，使用徠卡P40三維激光掃描儀獲取歷史建筑物的點云數據，經過點云拼接、坐標系歸一化、去噪、合并、切割、提取輪廓線等后處理操作步驟，最終以平立面圖的成果形式恢復了歷史建筑物的原貌。此項目的順利完成驗證了三維激光掃描技術應用于精細化建筑物測繪中的有效性及高效性，證實了三維激光掃描技術在解決傳統測繪手段存在的“難測繪”、“精度低”、“工期長”等痛點方面具有極大的應用前景。同時，三維激光掃描可在不搭建腳手架，不與建筑物接觸，最大程度減少對建筑物的影響的情況下進行掃描測量，這對于具有一定歷史文化價值的異形建筑物具有重要的意義。

4.2 展望

隨著地面三維激光掃描技術在國內外應用的日漸普及和深入，在各個工程領域都表現出了較好的技術優勢，是科學技術和信息產業的一次新技術革新。地面三維激光掃描技術以其高效率、高采樣率、高精度、高密度、非接觸性等優勢，在測繪領域有廣泛的應用潛力。因此，在今后的實際工程項目實踐中還有待進一步拓寬其應用范圍，最大限度地發揮其在測繪領域的應用價值，如隧道土方測量、斷面測量、變形監測、竣工測量等。另外，配套的數據后處理軟件的功能開發及應用研究工作也要進一步深入開展。

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