基于地面LiDAR點云數據的建筑物立面測繪方法研究

曹海春 張 娟

（1.山西工程職業學院，山西 太原 030031；2.山西亞太數字遙感新技術有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

隨著城市數字化、信息化建設的飛速發展，臨街老舊建筑立面測繪工程已成為數字城市規劃的重要組成部分。由于這類建筑年代久遠，其設計資料缺失、不完整較多，所以立面測繪也是建筑物改建、擴建工程設計和施工的依據。傳統的建筑物立面測繪一般是人工測量方式、全站儀測量方式或近景攝影測量方式等，這些數據采集方法的優點是對作業員綜合素質要求相對比較簡單，缺點是采集的數據信息少，工作量大，耗費大量的人力物力。

近年來，激光掃描技術迅速發展并日漸成熟，其空間搭載方式也更加多樣化，有機載型、地面型、便攜型等，可以綜合考慮項目需求選擇更合適的解決方案。激光掃描技術是測繪領域的一次技術革命，由于其具有自動化程度高、數據生產周期短、數字產品精度高等特點，因此逐漸成為測繪領域研究的熱點，其應用領域也不斷拓展，為空間信息獲取提供了更加科學有效的技術手段。

本文介紹了地面固定型激光掃描系統的工作原理，闡述了建筑物立面測繪的技術流程，簡單介紹了地面LiDAR點云數據處理過程，重點對立面圖繪制方法進行了說明，最后進行了精度驗證。將該技術應用到實際生產項目中，可以為用戶提供真實可靠的數據，具有一定的參考價值。

1.工作原理

1.1 地面固定型激光掃描系統工作原理

該系統由地面三維激光掃描儀、控制系統、數碼相機、后期處理軟件、電源以及附屬設備構成，采用非接觸式高速激光測量方式，利用激光脈沖對被測物體進行掃描，可以大面積、快速度、高精度、高密度的取得地物的三維形態和影像數據。與全站儀不同之處在于，地面固定式激光掃描儀采集的不是離散的單點三維坐標，而是一系列的離散海量點云數據，且點云數據中每個點的三維坐標都是通過掃描儀直接獲取的，數據更加可靠，精度更高。

1.2 建筑立面圖原理

建筑立面圖是在與房屋立面相平行的投影面上的正投影圖。其中，反映主要出入口或比較顯著地反映出房屋外貌特征的立面圖，稱為正立面圖。其余的立面圖相應稱為后立面圖、左/右立面圖、側立面圖。立面圖是城市規劃，環境亮化改造和建筑物改建、擴建工程等外部裝修設計和施工的依據。

2.技術路線及作業流程

2.1 技術路線

在立面測繪項目中，采用地面三維激光掃描儀獲取的LiDAR點云數據能夠精準反映建筑物層次結構及細節特征，精確獲取窗戶、門/孔洞、陽臺、房檐、柱、墻面分格線及其他建筑附屬物的空間信息。

通常情況下，一個完整的建筑物需要從不同的位置、不同的角度進行多次掃描才能獲得完整的建筑外立面信息，包括點云和影像數據。為了得到完整可靠的數據，不同位置獲取的點云需要有一定的重疊區，以便進行點云精準拼接。數碼相機獲取的影像數據主要為點云提供彩色紋理信息。

對采集的點云數據和影像數據使用數據后處理軟件進行處理，數據融合后生成具有彩色信息的空間海量點云數據，從而進行建筑立面圖繪制，再以多種不同的格式輸出，能夠滿足各種空間信息數據庫的數據源，實現不同工程項目的需要，有著廣泛的應用前景。

2.2 作業流程

建筑物立面測繪主要包括資料收集、現場踏勘、技術設計、數據采集、數據處理、立面圖繪制以及質量檢查等步驟，具體作業流程（如圖1所示）；

圖1 建筑物立面測繪作業流程圖

3.試驗區立面測圖實施方案

3.1 試驗區概況

本文采用的數據為某城鎮局部地面LiDAR點云，作業區內建筑高度基本不大于20m，大部分為2-5層混凝土結構，沿街部分底層為商鋪，上層為民用建筑。地形平坦，交通方便，便于外業數據采集。主要不利因素是沿街行樹比較茂密，對建筑物掃描遮擋較多，加大了數據采集難度，同時后期數據處理去噪也增大了工作量。

3.2 準備工作

3.2.1 資料收集

試驗區主要資料包括范圍矢量圖，用于確認數據采集區域；衛星影像圖，作為基礎資料，用于對建筑進行編號、路線設計等。

3.2.2 現場踏勘

進行作業前，首先對試驗區進行現場踏勘，了解試驗區作業條件、交通、醫療等情況，了解氣候變化規律及可能發生的自然災害，隨時掌握氣象信息，做好人員及設備防護工作。

了解試驗區建筑物整體情況，分析建筑結構、初步規劃采集區域、采集線路及測站布設。并與相關設計單位或施工單位人員溝通工序對接點，確保銜接暢通，保證數據完整性及可用性。

同時，根據項目需求，參考現場踏勘情況，對參與外業數據采集的人員進行培訓，重點關注設備使用、數據采集、安全作業等相關內容。作業過程中，及時識別工作中存在的隱患，并隨時進行控制、整改等。

3.3 技術設計

3.3.1 路線設計

結合試驗區地形、地貌及用戶需求，確定數據采集路線。一般情況下，沿街道兩側按道路前進方向依次進行采集。

3.3.2 站點布設

根據每幢建筑的實際情況、儀器的測程、數據采集模式以及數據采集密度，確定儀器架設位置。通常，需要圍繞建筑最少布設四個站點進行掃描，并保證各站點采集的數據有足夠的重疊度，滿足數據拼接需要。對于特殊建筑，還需要增加掃描站點，以確保采集到每幢建筑完整的掃描數據，便于后期數據處理。

3.4 數據采集

本次試驗選取FA RO三維激光掃描儀，該儀器內置高分辨率相機，同一站點分步掃拍，獲取360°掃描點云和彩色全景影像，并使影像與點云進行自動匹配。該儀器自動化程度較高，人工干預少，試驗區對建筑點密度要求較高，因此掃描速度比較慢。

路線和點位設計完成后，進入實施階段。外業作業員現場對建筑物進行掃描，獲取彩色點云數據，并保證數據完全覆蓋被測建筑物。必要時，還需拍攝作業實況，記錄作業過程，用于內業數據處理時作為參考，對建筑周圍環境及立面特征進行準確判讀。

3.5 內業數據處理

外業采集到的數據經過下載，對原始數據進行解碼及格式轉換，再進行同名點識別配準及數據去噪處理，就得到一幢建筑物完整的彩色點云數據。

內業點云數據處理主要使用儀器配套的FARO SCENE軟件進行，使用該軟件能夠實現點云數據優化，包括以下內容：

（1）點云的自動拼接。將一幢建筑物的多站數據拼接成一個整體；

（2）冗余點云過濾。將建筑物外的移動點云、錯誤點云、多余點云等進行刪除。

再加上少量的人工干預，最后對數據進行檢查整理，就能夠輸出通用las格式的完整建筑物點云數據。某建筑彩色點云示意圖（如圖2所示），其中窗戶玻璃部分，由于玻璃材質反射率低，接收到的點云較為稀少，存在點云空洞，這種情況一般不影響后期制圖，因此忽略。如果由于數據缺少，導致建筑不完整，就需要采取重新掃描或補測的措施，確保數據完整。

圖2 建筑彩色點云示意圖

3.6 立面圖繪制

建筑物立面圖的繪制，主要包括以下步驟：

（1）格式轉換。使用Autodesk ReCap軟件對點云進行格式轉換，將點云數據從las格式轉換為rcp格式；

（2）數據導入。打開AutoCAD軟件，設置為三維建模模式，附著rcp格式點云；

（3）定義坐標系。通常情況下，點云附著完成后，在軟件中顯示的是俯視圖，而立面圖繪制需要在與房屋立面相平行的平面上進行，因此需要重新定義坐標系；

具體處理方法如下：

定義坐標軸：使用三點定義新的俯視圖坐標系，這三點一般為原點、正x軸上的點和正xy平面上的點。

對于規則建筑，一般選擇最明顯的、穩定的建筑墻體長邊作為x軸線，并將坐標軸平移到墻體前方，使得在新的俯視圖坐標系中x軸平行于墻體。對于不規則建筑，根據項目需求，可以適當綜合或取舍。

切換視圖：坐標軸定義后仍然為俯視坐標系，要進行立面繪制，就需要將視圖切換為前視圖，使得建筑物立面與電腦屏幕平行。

定義用戶坐標系：切換前視圖后，建筑物立面投影于xz平面內，而后期繪圖需要在xy平面進行。因此，需要使用軟件功能，將xz平面轉換為xy平面，這時用戶坐標系的xy平面與屏幕對齊。

（4）建立圖層。根據成果需求，設置相對應的圖層。本試驗區項目圖層設置（如圖3所示）:

圖3 圖層屬性示意圖

（5）立面圖繪制。使用AutoCAD軟件提供的繪圖工具進行立面圖繪制。主要包括以下步驟：

圖面繪制：選擇要進行繪制的某一立面，對于一幢建筑的其他面可以暫時選擇隱藏點云，避免由于透視造成判斷錯誤。需要時，可以參考現場實況圖或視頻，準確判定建筑物各部位屬性。

填充渲染：矢量線繪制完成后，進行圖案填充。主要填充陽臺、窗戶及臺階等，對墻體材質進行文字說明。點云和立面圖繪制對應（如圖4所示）:

圖4 立面圖繪制示意圖

（6）整理輸出。一幢建筑的各個立面繪制完成后，分別命名為正、后、左、右及側立面，按建筑編號進行整理輸出。

3.7 精度檢查

用全站儀實地測量對應建筑物各部位的長度數據，作為真實值，檢查基于地面LiDAR數據所測立面圖的精度。精度對照表（如表1所示）:

表1 精度對照表 單位：m

從表1中數據差值分析，最大差值為-0.06m，最小為0.018m，建筑物各部位相對整體精度滿足項目要求（0.1m）。

3.8 技術細節說明

3.8.1 建立樣板文件

圖層樣板：每幢建筑進行單獨繪制立面圖時，可以建立圖層樣板文件，設置項目要求的圖層及相應的圖層特性，比如層名、層碼、顏色及線型等。

數據提交樣板：每幢建筑按建筑命名進行數據提交時，也可以建立數據提交樣板文件，類似于圖層樣板，根據提交要求進行設置。

樣板文件統一標準，能夠提高作業效率，立面圖繪制也更加便捷。

3.8.2 數據采集

外業數據采集過程中，由于部分街道狹窄，常規的布站方法難以滿足要求，所以采取增設站點來保證整幢建筑數據采集完整，必要時在樓頂進行數據采集，保證閣樓數據完整。

對于植被遮擋嚴重的建筑，進行多方位加密采集，保證不出現點云漏洞，后期數據處理時再進行重點去噪，以滿足后期立面圖繪制。

3.8.3 立面圖繪制細節

實際立面圖繪制過程中，建筑物結構復雜多樣，立面有時并不是一個簡單的豎直面，有弧形，轉折形或者其他異形結構。對于常規立面，采用直接投影方法進行。針對特殊的建筑，根據項目需求，采取綜合或者細化的處理方式，先進行分割區分，再進行各面分別投影，最后進行繪制，化繁為簡，做到不錯不漏。繪制中主要注意以下細節：

(1)坐標系定義準確，否則會導致偏差，影響成果精度；

(2)墻體繪制采用粗實線，與其他層進行區分；

(3)同一投影面，不同材質間需要畫分割線進行區分；

(4)對于設計整齊統一的建筑部位，可以復制相關元素。

4.結束語

隨著技術的發展和進步，地面三維激光掃描技術的應用越來越廣泛。通過試驗區數據分析，證明利用該技術進行建筑立面圖繪制，能夠滿足工程應用的精度要求。在實際生產項目中，立面測圖時還需要對各個環節進行質量控制，數據采集時注意站點架設位置，避免外界因素干擾；數據處理時減少拼接去噪誤差，提高點云質量；立面圖繪制中精細化各個立面。地面三維激光掃描技術在很大程度上可以縮短工期，提高生產效率，節約成本，為工程施工、設計等提供基礎數據。

課題項目：

本論文是作者基于山西省教育科學規劃課題《高職教育企業引領、課賽證融通教學模式研究》與山西亞太數字遙感新技術有限公司人員合作完成的階段性研究成果，課題號GH-19275，課題單位：山西工程職業學院。