基于三維激光掃描技術的建筑物立面信息獲取方法

曹君 呂麗平

摘? 要：2019年10月，第七屆世界軍人運動會即將在武漢舉行。為展示城市魅力，武漢市正在進行建筑物立面整治工作。本文結合三維激光掃描技術，探索建立了一套建筑物立面信息采集與數據處理方法，該方法可以有效地解決傳統全站儀測量方法中存在的作業復雜、項目工期長的問題，實現了立面整治數據的快速采集、處理與成圖。

關鍵詞：三維激光掃描;立面信息獲取;數據采集

中圖分類號：P234.4? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）21-0159-03

Abstract：In October 2019，the 7th CISM Military World Games will be held in Wuhan. In order to show the charm of the city，Wuhan is carrying out the renovation of building facades. Combined with 3D laser scanning technology，this paper explores and establishes a set of building facade information collection and data processing method. This method can effectively solve the problems of complex operation and long project duration existing in the traditional total station measurement method，and realize the rapid collection，processing and mapping of facade renovation data.

Keywords：3D laser scanning;elevation information acquisition;data acquisition

0? 引? 言

要看一座城市美不美，建筑是其中重要的一環。而建筑的外立面，可謂是城市的封面，封面是否吸引人，很大程度上決定了人們打開這幅城市書卷的興趣。2019年10月，第七屆世界軍人運動會即將在武漢舉行，為了向來自世界各地的選手展示武漢這座城市的魅力，武漢市正在進行城市環境綜合整治提升工作，建筑立面整治是其中的重要組成部分。

通過一定的技術手段獲取立面數據、統計工作量是立面整治工作的基礎。傳統測量方法由于效率低、工期長，無法滿足快速成圖、統計成果的需求，快速獲取建筑物立面數據信息，并進行數據處理獲得建筑物各立面圖，成為影響建筑物立面整治工作效率的關鍵因素之一。

為解決這一問題，本文對當前測量領域的研究熱點之一——三維激光掃描技術進行了探索，并總結了一套建筑物立面信息采集與數據處理方法，并結合天河機場及其附屬建筑物立面測量的實際項目進行了實踐，結果表明基于三維激光掃描技術的建筑物立面信息獲取方法速度快、精度高，能夠滿足立面整治工作快速高精度采集、處理、成圖的需求。

1? 三維激光掃描技術簡介

三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術，它能夠快速高效地獲取高精度的三維數據，并建立三維模型，又被稱為“實景復制技術”。它利用激光測距的原理，記錄被測物體表面大量密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。與傳統測量手段相比，三維激光掃描技術具有如下優勢：（1）非接觸測量。三維激光掃描技術采取非接觸掃描目標的方式進行數據獲取，無需架設棱鏡，不需要對掃描目標物體進行任何表面處理，物體表面的三維數據被直接采集，數據真實可靠，可以用于獲取危險目標信息，以及人員無法到達的地方的數據;（2）數據采樣率高。目前，三維激光掃描儀采樣速率最大可達到百萬點/秒，這是傳統單點采集的測量方式難以比擬的;（3）全天候作業。三維激光掃描技術采用主動發射掃描光源，通過探測采集主動發射的激光回波信號來獲取目標物體表面的數據信息，因此掃描的過程受環境和時間的影響小，可全天候作業，有效工作時間長、工作效率高;（4）高分辨率、高精度。三維激光掃描技術可以快速、高精度獲取海量點云數據，可以對掃描目標進行高密度的三維數據采集，點云分辨率高，單點精度可達2mm;（5）可與數碼相機、GPS系統配合使用，信息獲取更全面、準確。數碼相機的使用增強了目標紋理和色彩信息的采集能力，使掃描獲取的目標信息更全面豐富。GPS定位系統的應用則進一步提高了測量數據的準確性。

2? 基于三維激光掃描技術的建筑物立面信息獲取方法

基于三維激光掃描技術的建筑物立面信息獲取方法一般分為如下幾個步驟：（1）現場踏勘與數據采集;（2）點云拼接;（3）噪聲剔除與點云分割;（4）格式轉換與導出;（5）立面繪制;（6）面積統計;（7）圖形整飾與輸出。本文以Leica P30三維激光掃描儀、Cyclone 三維點云處理軟件和AutoCAD制圖軟件為例，對基于三維激光掃描技術的建筑物立面信息獲取方法詳細描述如下。

2.1? 現場踏勘與數據采集

對測區進行現場踏勘，并結合實際情況選擇測站點。一般而言，為保證后期數據處理工作的順利進行，在數據采集過程中需要遵循如下原則：（1）采集目標位于激光掃描儀掃描范圍以內;（2）相鄰兩側站間掃描點云需有明顯重疊;（3）需實時繪制測站點布設草圖，并拍攝現場照片。

2.2? 點云拼接

受視線遮擋和掃描儀自身掃描距離限制等因素的影響，往往需要布設多個測站，才能獲得測區范圍內建筑物的各個立面數據，為獲得建筑物整體布局等信息，需要對各測站所采集的點云數據進行拼接，其技術流程如下：（1）數據導入：在Cyclone軟件中新建數據庫，并導入外業原始觀測數據;（2）點云拼接：在Cyclone軟件中通過點云拼接功能，對原始點云數據進行旋轉平移操作，實現點云數據的兩兩對齊，并進行拼接和誤差檢查，重復上述過程，直至同一個區域內各建筑物所有點云拼接完成。

2.3? 噪聲剔除與點云分割

點云拼接完成后，各區域點云數據往往可達百億級，為提高數據處理效率，需要剔除各區域點云數據中的無用點云，并進行點云分割，獲得簡潔直觀的建筑物平面圖及各立面圖信息，具體技術流程如下：（1）數據剔除：對已拼接好的點云數據進行旋轉、平移、縮放，切換到合適的視角，刪除無用的點云數據，如道路、樹木、車輛等非目標地物，對數據進行精簡，提高數據處理效率;（2）點云分割：調整視角，依次在正投影和各個側面投影中，通過多邊形切割工具，對剔除了無用數據的點云進行分割，將建筑物俯視圖及各個立面圖點云數據存儲為單獨的文件。

2.4? 格式轉換與導出

（1）尺寸量測：在各個立面的點云文件中，對建筑物關鍵尺寸信息進行量測，如墻體輪廓點、門窗角點等，獲取各立面墻體、門窗和其他地物尺寸信息，并進行標注;（2）格式轉換：將做好尺寸量測與標注的各立面信息，切換到正視視角，并縮放至全圖，在主界面中將文件導出為圖片文件。

2.5? 立面繪制

（1）輪廓描繪：將Cyclone中導出的圖片文件導入AutoCAD，依次新建墻體、門、窗、屋檐、標注等圖層，并通過多段線、矩形等工具，分別沿著圖片中各角點繪制建筑物外圍、門、窗、屋檐等輪廓線;（2）尺寸縮放：在CAD中量測建筑物各立面主要輪廓的尺寸數據，并與Cyclone中標注的尺寸進行對比，計算比例因子，并對圖形進行整體縮放，將各立面整體縮放至實際尺寸。完成尺寸縮放后，即可進行尺寸標注，標注對象包括墻體、門、窗寬度和高度等。

2.6? 面積統計

為統計各立面墻體面積，需依次對墻體、門、窗面積進行匯總。依次選擇墻體、門、窗等圖層，通過CAD要素合并功能，對同一圖層范圍內的同一類型要素進行合并，并依次對門、窗、墻體等要素的總面積進行統計，記入總面積統計表。

2.7? 圖形整飾與輸出

對建筑物的立面圖形進行整飾，插入圖名、圖框、單位、比例尺、面積表等信息，調整各要素顏色，確保成圖美觀大方、實用規范，最后輸出為dxf圖形格式。

3? 實踐研究

為驗證上述方法的有效性，本文以武漢天河機場及其附屬建筑物立面測量項目為依托，開展了實踐研究。

3.1? 項目概況

天河機場位于湖北省武漢市黃陂區，占地總面積約12平方公里，機場及其附屬建筑物共120余棟，均為總層數少于4層的低矮建筑，分布較為稀疏，因此采用傳統測量手段存在布設控制點工作量大、周期長等問題，而新興的無人機航測技術也由于機場周邊禁飛而難以施行。因此，通過充分調研、科學論證，本文基于三維激光掃描技術對該項目進行了探索實踐。

3.2? 實驗結果

本文采用Leica P30三維激光掃描儀1臺、Leica Cyclone三維激光點云處理軟件1套和AutoCAD 制圖軟件3套進行項目實踐，并最終輸出各建筑物立面圖及其面積統計表。

以上成果全部順利通過驗收，成功應用于天河機場立面整治工程，為工程決策、實施、驗收提供了有力支撐。這也說明了本文方法的有效性，能夠滿足立面數據的快速采集、處理與成圖的需要，且精度也符合相關規范要求。

4? 結? 論

本文對基于三維激光掃描技術的建筑物立面信息獲取方法進行了深入探索，并結合軍運會背景下天河機場及其附屬建筑物的立面整治實際項目進行了實踐研究，獲取了各建筑物立面圖形，及各要素面積信息，為天河機場周邊建筑物的立面整治工程提供了科學支撐。從實驗結果來看，本文所提出的方法能夠滿足立面數據的快速采集、處理與成圖的需要，精度也符合相關規范要求。

參考文獻：

[1] 洪山區房管局.提升市容市貌，“容光煥發”迎軍運 [DB/OL].[2019-03-25].http：//www.hongshan.gov.cn/bmdt/201903/t20190325_117653.shtml.

[2] 王勛.基于三維激光掃描的橋面變形檢測技術應用研究 [D].重慶：重慶交通大學，2015.

[3] 謝武強，宋楊，王峰，等.三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應用 [J].城市勘測，2013（1）：12-14+20.

[4] 龔良雄，趙興友，朱鋒博.基于三維激光掃描技術的建筑物立面測繪及成果精度評定[J].城市勘測，2018（6）：67-69.

[5] 彭勁松，葉波，李娟，等.三維激光技術在建筑物外立面測量中的應用 [J].測繪通報，2018（7）：156-159.

[6] 曾文偉.地面三維激光掃描技術在建筑工程中的應用 [D].撫州：東華理工大學，2017.

[7] 郭柏希.基于三維激光掃描技術的工業廠房三維建模與應用研究 [D].長春：吉林建筑大學，2016.

作者簡介：曹君（1987-），女，漢族，湖北武漢人，講師，碩士，主要從事測量專業教學與研究工作。