三維激光掃描技術在建筑立面測繪中的應用

張 立，宋 莉

(四川交通職業技術學院，四川 成都 611130)

傳統的建筑立面測量使用“全站儀免棱鏡測量+手繪草圖”相結合的方法。使用全站儀測量門窗等結構的每個角點，并輔以草圖說明，內業處理時將三維坐標轉換成立面的二維坐標，繪制出建筑立面的CAD文件。

這種作業方式在面對古建筑等結構系統較為復雜的情況時，需要測量的結構點非常多，工作量大且不容易記錄，效率較為低下。因此，有必要對原有的工作流程進行改進，以完成更多類型建筑的立面測圖任務。

三維激光掃描技術，又稱實景復制技術，可以快速重建出整個建筑物的全部空間幾何特征，以1∶1的真實比例呈現在計算機中，其數據格式為高密度、高精度的點云數據，利用該數據結合相關軟件可以快速精確地制作建筑立面圖形。

1 三維激光掃描立面測圖方案

1.1 現場作業

為了保證原始數據的精度及工作的便捷度，外業掃描宜采用架站式三維激光掃描儀。

本次采用的型號為天寶TX8，該型號設備采用閃電激光技術，將相位測距技術與脈沖測距技術結合，可以在高速掃描的同時，達到高精度和遠距離的目標，其測距精度為1 mm，測程340 m，掃描速度為100萬點/s，2～3 min即可完成1個掃描測站。

內業制圖可以使用支持點云的制圖軟件，如AutoCAD和Trimble Business Center，將基礎點云導入后，制圖流程與之前的作業方式一致；也可以直接使用專業的點云處理平臺，如Trimble RealWorks(以下簡稱TRW)進行立面繪圖。TRW軟件集點云配準、點云編輯、點云制圖、點云檢測、點云建模等功能于一身，可以實現將TX8獲取的點云數據從配準到制圖整個流程。

1.2 方案實施

1.2.1 外業掃描

TRW軟件提供了基于平面點云的全自動配準功能，外業掃描可以采用無標靶作業方式，掃描作業時只需保證相鄰兩站之間有一定的重疊度，掃描到相同的平面特征即可，極大地提高了外業掃描效率。

為提高全自動配準的成功率還需要注意以下幾點：

(1) 只有垂直面參與全自動配準的初始化計算。地板、天花板、桌子等水平面在最后階段用來精化配準及管理不同樓層。

(2) 小于30 cm×30 cm的平面會被忽略掉。

(3) 配準兩個測站，至少需要3個公共平面。

(4) 非常對稱的地方，在場景中增加些額外的面狀對象能使成功率最大化。

(5) 掃描包含表面和紋理的平面能獲取更好的點云。如1個典型的中性色辦公室能掃描出較好平面，而玻璃結構則無法得到。

(6) 盡量以1個較高的入射角掃描平面。

(7) 如果掃描了多個樓層，建議首先將同一樓層的測站數據放進1個組，執行一次全自動拼接。然后再將多個樓層的組選中，對整個項目執行一次全自動配準。

(8) 如果項目需要對室內外進行掃描，建議在門口的位置架站，方便后期點云處理。

1.2.2 點云配準

使用TRW軟件的全自動配準功能，一鍵將所有測站拼接起來。配準時需要選擇1個基準測站，基準測站配準過程中保持坐標不變，其他測站會與基準測站尋找公共部分，并通過平移旋轉拼接到正確位置，因此基準站必須是水平測站。全自動配準具體過程如下：

(1) 粗略配準。系統分析每個測站中所有豎直面并進行編號，計算出各個測站之間匹配的唯一解。

(2) 精化配準。系統分析每個測站中的所有水平面，對配準結果作進一步優化；然后使用迭代最近點法(ICP)使得兩個測站的點云數據擁有最大的重疊率，并使得重疊區域有最小的殘差值。

(3) 提取預覽點云，預覽點云相當于步長為6進行采樣。步長采樣的原理為：將當前測站的點云數據視為一張以儀器位置點為中心的全景圖，每個三維點視為1個不會被重疊的全景像素，當所有像素均被提取時，步長為1，當每6個像素提取1個三維點時，步長為6。使用步長采樣可以快速獲取輕量化的稀疏點云，并保持現實世界的結構特征，有利于在自動拼接結束時，快速對拼接質量進行檢查。

測試地點1為一條歷史建筑街面，共掃描24站，每個測站掃描2 min，外業總用時不到2 h。全自動拼接用時30 min，拼接完成后為自動顯示配準報告，報告顯示點云配準整體精度為4.7 mm。如圖1—圖3所示。

測試地點2為一處別墅，現場掃描8站，外業用時30 min，全自動拼接用時10 min，拼接精度為1.5 mm。如圖4、圖5所示。

1.2.3 點云編輯和去噪

點云配準完成后，需要將點云進行分割和去噪。TRW軟件提供基于點云幾何特征的快速自動分類，可以將點云快速分類為地面、建筑、高植被、標桿，可以快速提取建筑點云數據，減輕傳統手工分割分類的工作量，大大提高了內業處理效率。如圖6所示。

1.2.4 立面繪圖

建筑點云提取完成后，利用TRW軟件的制圖工具可以基于點云制作CAD圖形。TRW中的制圖工具可以基于三維點云繪圖或鎖定投影平面繪圖。建筑立面圖需要在不同方向進行投影制圖，投影面的選擇結果也會影響成圖質量。TRW制圖工具提供了多種投影面選擇方式，如在同一平面點云中均勻點選3個點確定1個投影面，或選擇出同一平面的點云用擬合方式計算出最佳的投影面。投影面確定后，直接利用線劃工具根據點云進行矢量化即可。如圖7—圖9所示。

2 結 語

利用三維激光掃描技術獲取建筑物完整點云，能夠保證立面測量的繪圖質量，一套數據即可滿足繪圖、調繪、質檢等多種用途。天寶TX8激光掃描儀在2 min內即可獲取整個全景視野中的三維信息，同時結合Trimble RealWorks等點云處理軟件，可以根據建筑立面點云高效制作建筑立面圖。精確詳細的立面圖能夠為建筑物的治理、修繕及美化等提供數據支持，尤其是在城市建設和歷史建筑保護項目中作用更加明顯。綜上，筆者認為基于三維激光掃描技術的建筑立面測圖方案值得在行業內進行推廣應用。