基于三維激光掃描技術的城市建筑外立面測量體會

黎東昇 茂名市建設工程質量檢測站

為了能夠更好的提高城市形象，改良現有的居住環境，目前大多數城市都在努力進行城市建筑外立面的提高改造。很多老建筑因為自身年代久遠，當初很多設計以及改建等相關的活動資料都早已不見蹤影[1]。所以對建筑現狀的調查以及測量具有非常深刻的價值。常規的建筑立面測量方法涵蓋了經緯儀交會法以及鋼尺測量等，不過測量總體勞動強度大，自動化程度并不高，測量高度受限，對測量的環境具有非常嚴格的要求。如果需要給城區臨街建筑的外立面進行測量，還需要解決來往車輛以及行人等造成的遮擋難題。外業搜集實施的難度相對較大，總體效率較低。地面三維激光掃描技術并不接觸測量目標，可高精度以及自動化的采集測量目標的三維點云，為建筑物建模擬及外立面改造提供現勢性強的現場資料。

一、三維激光掃描技術特點研究

三維激光掃描技術屬于主動式的測量技術，利用自身內置的激光發生器，通過極高的頻率向周邊環境發射激光束，利用計時元件詳細記載激光束從由目標點反射回來的脈沖信號同激光束發生的時間差，轉變為測量的距離，同時疊加上激光束的方向信息，利用相關的坐標轉換，獲取周邊環境中地物表面的密集點云。激光束的發射頻率通常情況下，能夠達到百萬點每秒，所以能夠應付大面積以及高效率的測量任務，譬如對于大片的城市建筑外立面測量更為符合。其技術特點在于，首先搜集數據的完整運用常規的全站儀等測量工具時，照準部的視場狹窄，在大仰角測量時，瞄準目標難度大，所以必須把儀器擺設在距離測量目標一定的距離外，城市高層建筑高度很多將近百米至幾百米高，找尋適合的設站點難度大，所以搜集建筑物的信息時，概括性大，立面上搜集的碎部點數量相對稀少，因為其他地物的遮擋問題，無法確保建筑外立面搜集數據的整體性。三維激光掃描儀受到仰角限制小受仰角限制小，排除儀器底部外，可取得周邊環境中不同方向的區域數據。排除對儀器的設站點要求低外，三維激光掃描技術能夠迅速取得高密度的建筑物立面點云，可搜集細小的建筑物附屬結構等的三維形態，更加全面地搜集建筑物的立面信息[2]。

其次就是測量精度高，三維激光掃描儀的單點精度同全站儀相同，屬于精密測量設備。通常激光束相關的光斑大小在百米處沒有超出2cm。距離測量精度能夠實現毫米級，坐標精度毫米級。

然后就是自動化程度高，常規的經緯儀以及測距儀等都屬于單次測量，碎部點的搜集，必須借助大量的人工。三維激光掃描技術運用了激光測距儀以及不同軟件的特點，無須大量的人力，實現全自動化數字測量。

最后就是工作效率，常規的測量方法必須進行多人協作完成測量任務，譬如觀測人員以及記錄人員等。全站儀免棱鏡觀測也需要依靠觀測人員。三維激光掃描儀實現了單點測量的受限，常規測量工具必須進行碎步點對準測量，總體效率不高，同時還必須構建繁雜的控制網聯系不同數量的測站，在一定程度上加大了工作難度。一旦碰到建筑立面結構繁雜等情況下，總體測量工作遲緩。三維激光掃描技術在一次測量中，就能夠急速測量幾百萬個目標表面點數據。一次設站，只需要數秒以及數分鐘，就可搜集海量的建筑物表面的空間點位信息，取得精確的建筑表面數字模型。三維激光掃描技術能夠給建筑物立面測量提供了一種高速度以及自動化的解決方法，較為符合在城市景觀提高改造高程中實施運用。

二、建筑外立面測量作業流程

運用三維激光掃描技術進行建筑物立面測量，大部分涵蓋了外業數據搜集，以及點云數據處置，繪制建筑外立面圖等步驟，具體見圖1。

圖1 三維激光掃描技術測繪建筑物外立面工作流程圖

（一）外業數據搜集

由于受到測量距離以及遮擋等要素影響，三維激光掃描儀很難一次完成具體的測量任務，必須在不同測站上，依次掃描后，利用點云處理軟件實施拼接，才可構成完整的測區點云數據。為了能夠最大程度的保障拼接精度，施工的工程在相鄰測站相互，可運用3個標靶球以及凸顯的地物特征點做公共點和連接點。三維激光掃描儀全自動數字搜集，只需要把儀器整平后，就能夠開展工作，按照設定的掃描范圍自動終止。具體實施過程中，安排2名測量人員協同作業，一人負責操作儀器，另外一人運用高分辨率單反相機搜集建筑立面信息，同時仔細勘察周邊環境，預先設計布設的測站數以及設站點，放置標靶球時，注意3個標靶球產生的三角形的圖形強度，確保標靶在兩站掃描時沒有出現移動。掃描時，最好讓建筑物信息搜集保持完整，控制測站數量的基礎上，必須兼顧拼接質量。因為車輛和周邊建筑物外圍的附屬物等要素感染，在每站掃描完成后，瀏覽掃描結果，必須充分保障沒有遺漏重要測量內容。對出現遺漏的位置，在另一站掃描時進行改良，兩站點云還必須保障有40%左右的重合率。

（二）點云數據處理

本工程運用Cyclone軟件實施點云數據的處置，以及AutoCAD軟件繪制矢量圖。工藝流程涵蓋了點云拼接以及點云分割等環節。譬如點云精簡，因為點云數據量較大，對于之后導入AutoCAD中繪制矢量圖具有一定的影響，所以必須對點云實施適度的精簡。精簡大部分都是對重疊區域點云的精簡等。軟件中設計了不同類型的采樣方法，如隨機采樣以及曲率采樣等。

三、結語

傳統的建筑外立面測量方法具有一定的不足，無法充分符合大范圍，以及機動性的城區建筑立面改造提高所需。隨著相關技術的快速進步以及設備價格的下降，未來三維激光掃描儀，必定會在城市改造提高項目中，得到充分的運用。