探究基于激光點云數據的建筑物外立面測量

摘? 要：以提高建筑外立面測量與制圖精度為前提，針對陜投煤田地質雅安項目，分析激光點云數據在外立面測量、制圖中的應用。首先介紹陜投煤田地質雅安項目概況以及激光點云數據應用原理，肯定其在外業測量環節的應用價值。其次從激光點云數據采集準備工作、操作流程、判定測量與制圖精度三方面做出分析，了解激光點云數據基礎上的建筑外立面測量和制圖操作要領，為今后外業測量與制圖工作提供技術支持，以期能夠推動我國外業測量領域的可持續發展，實現智能化、信息化轉型。

關鍵詞：激光點云數據;建筑物外立面;測量;制圖

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0027-04

Abstract： On the premise of improving the accuracy of building facade measurement and mapping， aiming at the Ya’an project of Shaanxi investment coalfield geology， this paper analyzes the application of laser point cloud data in facade measurement and mapping. Firstly， it introduces the general situation of Ya’an project of Shaanxi investment coalfield geology and the application principle of laser point cloud data， and affirms its application value in field measurement link. Secondly， analyzes the preparation of laser point cloud data acquisition， operation process， determination of the accuracy of measurement and mapping， understands the operation essentials of building facade measurement and mapping based on laser point cloud data， and provides technical support for field measurement and mapping in the future， so as to promote the sustainable development of the field of field measurement and realize intellectualization and informatization transformation.

Keywords： laser point cloud data; building facade; measurement; mapping

0? 引? 言

針對物體進行三維模型重建，是時下討論與關注的熱點話題。三維激光掃描技術在應用中越來越完善，以此為基礎的三維模型重建技術也得到了完善，而且使模型重建技術逐漸成熟。在我國測繪領域，三維激光掃描技術作為一項新技術，可以高效采集物體表面點云數據，而且對于采集空間數據而言，該技術也是一種新方式，具有高效率、高精度、高分辨率的特點，自動化采集物體表面三維數據。利用采集到的點云數據，可以在軟件中及時處理，對物體進行三維建模。目前以激光點云數據為基礎的物體三維模型重建，廣泛應用于建筑測量、數字城市、遺產及文物保護、虛擬現實等各個領域，尤其是建筑物外立面測量與繪圖，通過激光點云數據不僅可以加強真實性、準確性，還可以保證測量工作的效率。為此，下文針對陜投煤田地質雅安項目，對激光點云數據的運用展開分析。

1? 工程概況

陜投煤田地質雅安項目。其中，雅安項目東區布設了GCP300和GCP400兩條控制線，共布設點位113個，測區面積2 000平方公里，計劃飛行3架次;定標場3平方公里，計劃飛行1架次;西區計劃3架次。東區地處四川盆地和青藏高原的結合地帶，天氣狀況惡劣、地質災害頻發。進行外業測量與控制，主要采集激光點云數據，并進行定標點和測圖控制點的布設與測量。定標點和控制點選用三面角反射器，其示意圖如圖1所示。定標點分布在3 km×1 km范圍內，該范圍為定標場。定標場要求地形相對平坦，開闊區域。本次試驗備選定標場CP1和CP2如圖2所示。定標場的角反射器定義為定標點，其具體位置由中國航天科工二十三所提供，1：5 000測圖控制點角反射器與定標場角反射器布放要求的最大區別為，控制點的點位可以偏離設計點100 m以內。控制點具體位置由二十三所提供，示意圖如圖3所示。

2? 激光點云數據應用原理

點云主要代表的是逆向建模技術采集數據的集合，即大量點的集合，點則是有坐標形式呈現，代表物體外表面形狀、點的顏色與灰度值，可以使用3D掃描設備獲取。結合陜投煤田地質雅安項目，采集激光點云數據，首先需要使用無人機在現場進行傾斜攝影測量，得到傾斜影像，再按照傾斜影像可以直接形成影像匹配點云[1]。其次，地面架設三維激光掃描儀，負責采集點云數據，對點云進行預處理。再次，配準基元提取一般使用濾波算法，將地面、植被點云去除，由技術人員分析總結建筑物點云坐標z值差異，再將建筑物屋頂點云進行分割處理，此環節可以結合法向傾角差異、α-shape算法，預估屋頂輪廓邊界。最后，建筑屋頂輪廓支持自動配準，利用質心約束、主成分分析，得出變換矩陣即可結束粗配準，此時可使用迭代最近點算法進行精配準處理[2]。

3? 建筑物外立面測量中激光點云數據的應用

3.1? 激光點云數據采集準備工作

建筑物外立面測量，主要應用三維激光掃描儀、三維激光掃描技術，通過激光測距即可達到非接觸激光測距與測角的效果。在本項目中我們布置GCP300和GCP400兩條控制線，共布設點位113個，測區面積2 000平方公里，計劃飛行3架次，定標場3平方公里，計劃飛行1架次。工作隊伍分兩組：地面組和飛行組。地面作業人員分成兩隊進行測量，提前4小時進入測區，分別在GCP300控制線和GCP400控制線同時作業，按照設計要求布設好角反，并將測區天氣和云層情況告知飛行組。

3.2? 操作流程

機載毫米波INSAR雷達航空攝影及4D成果制作具體操作流程如圖4所示。

第一，作業現場實地踏勘。按照掃描對象，可以直接明確掃描范圍、具體路線、架設儀器的位置、掃描距離、采樣密度等，從而制定掃描方案。為了給制定測量方案提供參考依據，針對被測建筑附近環境務必展開現場踏勘，踏勘時尤其要檢查現有點位置、保存、可利用概率，優先使用保存完好、精度高的點。按照建筑物高度和方位這些特征數值，可以確定測量線路、儀器架設位置、測量距離與采樣密度等，以免發生被測建筑被遮擋的現象。天氣是噪點的直接影響因素，應該盡可能地避免在惡劣天氣下進行作業。選點結束之后馬上繪制草圖，在現場拍照，為之后的現場測量、制定測量方案等提供參考依據。

第二，采集數據。采集數據的原始記錄如表1所示。

已經確定好的路線中，科學架設掃描儀、靶球，利用掃描測量便可以得到被測物體點云數據，將采集到的數據導入到計算機軟件中進行自動化處理。當實地踏勘工作結束，按照制定方案可以在現場進行測量。提前準備外業測量需要用到的儀器，尤其要檢查測量儀器的電源和存儲空間，待所有準備工作結束方可實施外業測量，降低返工概率。確定好的路線選定合適位置架設儀器，并科學設置測量距離、采樣密度等參數，隨即開始組織掃描作業[3]。被測物體掃描，要求兩個測站間的掃描范圍必須有重疊度，為內業數據處理時的拼接提供方便。控制好測站間距，在保證作業精度基礎上減少工作量。測站到被測物體的間距距離也需要注意這些問題。對于多站點的點云數據掃描，處理階段尤其應該做好拼接操作，兩測站的掃描范圍保證重疊，確定公共同名點，測區范圍內放置靶球，采集了各個站點掃描數據之后，可以自動計算圓心點，提高拼接操作處理的效率。另外，外業人員負責勘探現場草圖的回執，從多個角度拍照記錄好外業測量的方位。所有掃描工作結束之后，生成數據及時導入到計算機軟件中進行處理。

第三，點云數據處理。待處理數據一般包含點云數據拼接、去除噪點，當完成一系列處理流程之后，便可以著手繪制建筑物外立面的二維線劃圖[4]。掃描得到的數據及時導入到SCENE軟件中，工作區范圍內可以一次性加載完成所有數據，將平面視圖打開，觀察數據的完整性，若數據不完整，應該重新掃描不完整區域。隨后開始拼接和去除噪點，觀察三維視圖，其中包括大量點云，直接組成了立體圖像，平面視圖通過標記球體工具，在兩幅數據中準確標記公共靶球，準確測量坐標數值，在各個角度測量點云數據重疊部分數據，隨即進行拼接處理，即可獲得完整3D數據圖。因為測站位置被設定在被測物體前方，可以更加方便地進行全面掃描，掃描獲得建筑點云數據涵蓋大量噪聲點，按照實際情況將噪點去除。最后便可以著手繪制外立面，處理完畢的點云數據及時導出，整理為XYZ格式，更加方便在CAD軟件中繪制立面圖。因為CAD無法直接讀取XYZ格式文件，必須提前將其轉換成CAD軟件支持讀取的PCG文件。通過軟件中的“創建點云”功能，在SCENE軟件中將XYZ格式文件導出，隨即獲得Autodesk文件。然后應立即重啟CAD軟件，確保得到的數據在繪圖時得到有效利用。打開CAD軟件，選擇“附著點云”功能，點云數據便可以在CAD軟件中直觀顯示。

一般在建筑物外立面繪圖階段，既需要仔細觀察圖片，還要融合圖片、點云展開繪圖。按照點云分布、圖片內容，明確具體代表的物體，圖片中細節部分也應該可能地在CAD成圖中還原。坐標軸移動到點云，利用對象捕捉具有的節點捕捉功能，旋轉坐標軸到點云平行，調整方向后繪圖。繪圖的第一步為墻體，CAD軟件中進行基本繪圖作業，勾勒建筑物外立面尺寸，根據從下到上、從左到右、由簡至難的順序逐一繪制。按照建筑物外立面門窗所在位置，觀察外業拍攝照片繪制細節，并填充圖案，此環節需要做好標注[5]。如圖5所示。

3.3? 判定測量與制圖精度

建筑物外立面測量中的邊長精度，是立面圖整體精度的決定性因素，因此邊長定位精度評價十分重要。利用三維激光掃描技術判定精度，其核心為邊長對比[6]。點云數據量取特征邊長度數值，將其與全站儀測量得到的特征邊長度數據進行對比，對比分析結果可以作為三維激光掃描儀邊長定位外部精度最終的參考依據，而且直觀反映出三維激光掃描儀、高精度傳統測量儀器在精度方面的差異，了解三維激光掃描儀采集到的點云數據精度。通過全站儀、FARO三維激光掃描儀兩個設備，同時展開長度觀測，發現三維激光掃描儀在測量時得到的數據，和全站儀測得數據比較接近，線差值甚至可以達到毫米級。由此發現，三維激光掃描儀在測量精度上，滿足建筑物立面圖測量、制圖對精度的要求，還有利于提高數據采集效率。

4? 結? 論

綜上所述，建筑物外立面的測量、制圖，是前期非常重要的工作，此環節采集激光點云數據，不僅可以提高數據采集工作的效率，還有效保證了數據精度，為后期制圖夯實基礎。另外，三維激光掃描儀、三維激光掃描技術的應用，也在一定程度上改善了傳統設備與技術的不足，通過拍照記錄的方式，可以從多個維度進行觀察，從細節上進行制圖的填充，由此也體現出激光點云數據在外立面測量、制圖環節的應用價值。

參考文獻：

[1] 馬家駒，楊瑜，王振威.三維激光掃描技術在建筑立面測量中的應用 [J].智能城市，2017，3（6）：198.

[2] 黎其添.幾種建筑物立面測量方法對比分析 [J].北京測繪，2019，33（7）：850-852.

[3] 劉永吉，任偉，孫喜彬.基于傾斜攝影測量技術的曲面建筑立面圖測繪方法 [J].建筑技術，2019，50（5）：605-607.

[4] 何軍.基于地面三維激光掃描的明遠樓建筑測繪 [J].地礦測繪，2021，4（5）：20-21.

[5] 李亮.關于外立面設計的地域性思考 [J].建材發展導向，2019，17（7）：187.

[6] 金新平.三維激光掃描技術應用于城市建筑物外立面測繪——以云南省澄江縣提質擴容建筑外立面改造項目為例 [J].福建建筑，2020（11）：134-138.

作者簡介：劉軍（1981.05—），男，漢族，江蘇豐縣人，工程師，本科，研究方向：不動產測繪、工程測量。