非接觸測量技術在建筑立面改造中的應用

楊 永 波

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 概述

近年來，建筑外立面整治改造項目越來越多。但是對于老舊建筑，以及曾經翻新改建過的建筑，獲取其原始和改建時的設計施工圖紙已經不太現實，于是在進行立面改造的時候就缺少基礎資料，而且做工程經費預算的時候也缺少依據。傳統測繪一般采用全站儀極坐標單點測量的方式，分別采集該建筑的各個立面特征點進行繪圖。由于繪圖軟件一般是基于平面圖作業的，全站儀獲取的三維坐標導入軟件前還需要先進行坐標轉換編輯，此外局部區域還需要人工量距，作業效率非常低，精度更是無法保證[1，2]。

以激光掃描為主的非接觸測量技術，可以通過高密度、帶有反射率信息的海量點云，高度還原物體表面，應用范圍非常廣泛。考慮到建筑立面改造的需求，如果采用該技術，作業效率和數據精度將大大提高。另外，在點云的基礎上，現場再按一定順序拍攝現狀照片，對于建筑細部特征的表達會更加直觀、完整、立體[3]。

2 基于非接觸式測繪建筑立面的作業流程

鑒于三維激光掃描技術在文物保護等領域已經應用非常成熟，各類文獻對于三維激光掃描系統工作原理等方面的介紹已經比較多，本文不再贅述。

2.1 軟硬件介紹

從儀器設備測量模式來分類，三維激光掃描儀主要分為脈沖式和相位式兩種，一般來說脈沖式設備測程較長，應用于土石方測量、地形測量等；相位式掃描設備表達更為細膩，測程相對較短，應用于古建筑保護較多。隨著硬件的快速發展，現在越來越多的掃描設備同時具備兩種模塊，可以根據項目具體需求選擇不同的測量模式。目前在工程測量領域，常用的激光掃描設備有RIEGL VZ系列、徠卡P系列等長測程和FARO，RTC 360等短程測量設備，還有一些手持式、背包式掃描儀，更加輕便。不同設備各有優劣，通常一個項目可采用多個掃描設備結合使用。

軟件方面,隨機軟件可以滿足絕大多數的數據處理需求，建筑立面測量的數據處理需求。在繪圖過程中，可采用AutoCAD，或者EPS繪圖平臺。

2.2 作業流程

采用實景復制技術進行建筑立面測量技術路線流程如圖1所示，主要包括數據采集階段、數據處理階段和成果制作階段。

3 工程實例

本文以重慶某片區建筑整體改造項目為例進行介紹。該片區共需要測量399棟建筑，擬測建筑分布密集，樓間距狹窄，且樓間多有植被或生活廢品，采用常規測量該項目無法達到委托方的時間和精度需求。經踏勘和研究，本項目采用非接觸式測量技術進行了立面測繪。

3.1 數據采集

數據采集前在作業前進行設備檢驗，包括儀器主機各部件及附件應匹配、齊全和外觀良好；儀器各個部件應連接緊密且穩定耐用；三維激光掃描儀能否正常運轉、能否獲取數據、電源容量是否充足、內存容量是否充足、同軸相機能否同步獲取影像。

在對建筑外立面進行掃描時，掃描站點的布設應遵循以下原則：需要測設掃描站點坐標時，設站點至少與兩個控制點通視，設站點應該設置在視野開闊、地面穩定、車流量較小的安全區域；掃描站站點應合理設計、均勻布設，盡量減少設站數目；測站的掃描范圍應覆蓋整個掃描對象；對象結構復雜、通視困難或線路拐角的情況應適當增加掃描站點。

點云數據采集滿足下列要求：

1)作業前應將儀器放置在觀測環境中進行溫度平衡。2)激光掃描儀應按以下步驟操作：架設掃描站、建立掃描項目、掃描范圍設置、點間距或者采集分辨率設置、開始掃描、獲取影像。3)測站間點云數據的重疊度不低于20%。4)采用區域分塊掃描時，相鄰點云數據的重疊度不低于10%。5)掃描過程中如果儀器工作出現異常，如斷電、死機等原因，或者儀器位置出現變化，應重新啟動儀器進行自檢、重新開始掃描。

紋理圖像數據采集最好使用高分辨率要求的單反相機，單張相片相幅設置到相機的最大分辨率，相機的最小像素不低于1 000萬像素；影像的拍攝角度應盡可能保持鏡頭正對目標面，無法正面拍攝全景時，先拍攝部分全景，再逐個正對拍攝，后期再進行合成；選擇光線較為柔和、均勻的天氣進行拍攝，避免逆光拍攝；能見度過低或光線過暗時不應拍攝；相鄰照片之間保證有不小于30%的重疊區域；采集影像時應畫好影像采集分布圖。

3.2 數據處理

數據處理主要包括點云拼接、降噪抽稀、數據裁剪等工作。

1)點云數據拼接。相鄰測站間點云重疊度不應小于20%，采用不少于3 個同名點建立轉換矩陣進行點云拼接，拼接后同名點的內附合精度應不大于5 cm，應采用迭代最鄰近點法改正測站間的拼接精度，改正后相鄰測站拼接誤差應不大于1 cm。2)降噪與抽稀：點云數據中存在脫離掃描對象的異常點、孤立點時，應視點的數量采用濾波方法或人工手動進行點云數據降噪處理。對點云數據抽稀應注意掃描對象表面曲率變化不大區域應用均勻抽稀，抽稀后點云間距應滿足制圖的要求；掃描對象表面曲率變化明顯區域應采用保持特征的抽稀，根據法向量變化和曲率識別特征區域進行抽稀。3)彩色點云數據處理。選擇點云對應的影像數據，根據相機與掃描儀的姿態參數直接生成彩色點云，著色后的點云在色彩上應無明顯影像接縫。4)點云數據裁剪。將處理后的點云數據，運用軟件裁剪功能將點云數據進行裁剪，獲取的歷史文化資源獨立點云數據。5)生成可制圖的點云數據。將處理完成的點云數據，運用點云數據軟件的分割功能，根據需要在不同立面進行分割，得到可以進行制圖的點云數據，將點云數據運用相關插件(例如Cyclone CloudWorx)插入到CAD中，在CAD中運用其強大的繪圖功能，進行各種圖形的繪制。正射點云投影圖如圖2所示。

3.3 成果制作

在處理好的點云基礎上進行立面圖繪制工作。根據GB/T 50104—2010建筑制圖標準相關要求，對建筑立面圖的繪制有如下幾方面的要求：

1)立面圖制作應包括正立面、側立面和背立面。

2)立面圖應按“門窗關閉”狀態繪制。

3)立面圖應反映歷史建筑立面現狀特征。

4)對于曲面結構物，應繪制立面展開圖。

5)在定位軸線方面，建筑立面圖中，一般只繪制兩端的軸線及編號，以便和平面圖對照，確定立面圖的投影方向。

6)尺寸標注方面，建筑立面圖中高度方向的尺寸主要使用標高的形式標注，主要包括建筑物室內外地坪、各樓層地面、窗臺、門窗頂部、檐口、屋脊、陽臺底部、雨篷、臺階等處的標高尺寸。在所標注處畫一條水平引出線，標高符號一般畫在圖形外，符號大小一致整齊排列在同一鉛垂線上。必要時為使尺寸標注更清晰，可標注在圖內，如樓梯間的窗臺面標高。

7)建筑材料和顏色標注方面，在建筑立面圖上，外墻表面分格線應表示清楚。應用文字說明各部分所用面材料及色彩。

8)圖例方面，建筑立面圖上的門、窗等內容都是采用圖例來繪制的。在建筑物立面圖上，相同的門窗、陽臺、外檐裝修、構造做法等可在局部重點表示，繪出其完整圖形，其余部分只畫輪廓線。

初步繪制的建筑立面圖見圖3。

3.4 成果檢核

采用全站儀及測距儀量據的方法進行檢核，主要參考的驗核依據為《工程測量》中細部測量的相關要求(如表1所示)。

表1 建筑立面測繪點位誤差基本要求 cm

經驗核，本項目抽查397點，較差超過7 cm的共2點，最大為7.2 cm，而規范要求的中誤差為5.0 cm，2倍中誤差作為限差，即10 cm，說明成果精度滿足要求。

4 結語

本文介紹非接觸測量技術用于建筑立面測繪的關鍵步驟和主要流程，驗證了非接觸測量技術測繪建筑立面圖的適用性和精度，效率和精度優勢非常明顯。但在具體項目的實施過程中，還有許多要注意事項，比如街道狹窄、遮擋嚴重區域的測繪，高層建筑上部結構不容易掃描到等等，需要根據現場情況選擇合適的設站點，并做好補測和檢核工作。在內業處理方面，軟件的選擇和作業順序的確定，也能影響作業效率和成果質量。