三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應用

莫永強

廣州市城市規劃勘測設計研究院 廣東 廣州 510060

引言

現階段，三維激光掃描儀屬于全自動精度較高的立體性掃描技術，其測量技術從點對點激光掃描測量設備發展至選用非接觸性主動測量模式，作為對物體表層三維空間采樣坐標實現飛速獲取的測量設備。基于建筑立面測量方面，三維激光掃描儀自涌現與發展后，讓傳統建筑物理念的測量局限得到了積極克服，其不再使用簡單工具測量建筑物的長寬高，如測距儀、皮尺等，則是無須接觸建筑物即可掃描，而且能夠轉換獲取的點云信息成為計算機能夠處理的高效測量數據形式。針對性處理人工采集建筑立面信息時，導致的效率及精度損失問題，特別是可對高層建筑立面不能測量等問題進行強化處理。其主要優勢包含較強實時性、速度快、無須接觸、主動性、高精度、數字化等，其以提升激光掃描儀的測量方式，利用點云方式實現對建筑表層陣列幾何數據的獲取，并對建筑立面信息實現及時大量的收集，從而給建筑立面的測量供應新型技術。

1 三維激光掃描儀的操作原理與發展方向

1.1 操作原理

三維激光掃描儀是以激光測量距離，可以分析記錄測物體反射率、三維坐標、建筑表層的紋理，并對被測物體點線面等相關數據實現快速提供，按照上述數據進行相應模型的快速構建并繪圖，這對順利開展后續工作意義重大。目前三維激光掃描儀市場上的流行儀器就是脈沖掃描儀，可對時間漂移理念實現合理運用。在如今社會上，三維激光掃描儀已經廣泛用于諸多領域，如保護古代遺產、改造土木工程與建設、設計房屋建筑、規劃建筑設計、認定交通責任、評估災害等建設數字化城市方面。采用三維激光掃描儀全面掃描三維物體，并實現數據信息的及時獲取，從而實現滿足數字化物品建模的構建。

1.2 發展方向

第一臺三維激光掃描儀于20世紀60年代涌現，直至90年代才實現一款與之相符的激光掃描系統的成功研制，而且其開始在高速數據的測量范圍投用，伴隨該技術越來越成熟，其開始在城鎮規劃工作中投用。國內三維激光掃描儀也處在完善更新階段，迄今為止，很多建筑模型的建設流程中都使用了掃描技術，此類技術發展到如今，已然變成測量地形。監控災害等區域的重要技術。

2 三維激光掃描儀的技術優勢

在建筑物測量中，采用三維激光掃描技術的優勢具體如下[1]：①不需要連線草圖，因激光測速較快，因此對外業測繪進行全面測量，其具有完整的外業數據，因此不需要進行操作的繪制，僅需在內業中合理取舍，確保制圖任務高效完成。針對與設計要求不符取舍，需要按照原始的點云數據合理修正，無須進入現場操作；②夜間及雨天復雜環境下作業，在三維激光掃描儀的使用中，應以高防水性為主，與遠程工作方法結合起來，且無須繪制草圖以及瞄準，因此無論是夜間或者雨天，測量人員都要在車內遠程測量，此次測量任務很急時，就要在雨天或者加班加點開展；③透視投影并無變形，在攝影測量中，拍攝相片需使用透視投影，導致其變形相對明顯，而激光掃描儀與全站儀相似可對距離與角度實現直接獲取，因此其點位并未出現投影變形，所以點云結合影像后可能形成正攝影像，且具有較高的精準度；④不需要瞄準，激光掃描儀可對地面實現全面測量，因此地面上的激光掃描儀已經全面脫離必備物鏡、目鏡、瞄準器等，包括經緯儀、全站儀等設備，讓外業員工無須承受大量觀測任務所致的眩暈感，從而對外業進行自動測量。

3 三維激光掃描儀的技術路線

本文將工作實踐結合后，采取三維激光掃描儀對地面上的建筑物立面進行掃描，具體操作內容如下。

3.1 儀器的正確選擇

建筑物立面的測量工作需使用三維激光掃描儀開展，設備選型以RieGL VZ400，其參數具體如下：①掃描視場的范圍需控制在360°×100°，即水平垂直；②掃描精度為3mm，間距控制在100m，開展單點掃描；③掃描間距反射率需控制在600m/90%。

3.2 布設測站

選用三維激光掃描儀開展建筑物立面的測量工作，需保證所選測站可對測區面進行全方位覆蓋，特別是高層建筑立面的頂端即側面，針對站站中間建筑物的點云密度顯然不足，因此應確保重疊度充足，方便處理內頁時，選擇相同名點展開配準工作，完成配準以后，測站范疇外緣稀疏密度的點云需通過臨近站點點云來彌補，在重疊度角度，點云可以自主明確的配置。在布設測點過程中，還需對儀器自身功能充分考慮，包括測成范疇、最大仰角、臨近測量站等位置，選站工作者必須完全熟悉掃描操作流程。

3.3 掃描操作

采用三維激光掃描儀進行掃描操作中，所選用的操作方法如下[2]：①選擇直接采集儀器后，開展全景360°掃描方式，在具體掃描過程中，需要對測站重視編碼，此種方式不能對數據質量進行現場監測，但仍收獲較高的操作方法；②三維激光掃描儀需使用電腦控制掃描，此種方法會按照測量范疇進行單站掃描起點與終點角度的設定，掃描前期相關人員需對儀器的角度方向深層了解，完成掃描工作后，需通過電腦對掃描數據的質量進行直接觀察。

3.4 處理數據與配準

預處理數據與配置應該使用RieGL公司生產的型號為RiscanPro軟件，完成數據的采集后，若是處于儀器之中，需要在電腦中導入相關數據，然后檢查其質量，預處理數據泛指清理冗余數據，比如說刪除電力線及植被等。通過對數據的預處理，需要配準站間，先展開粗配方法，具體可以選擇如下方法[3]：①優選相同特征方式展開配準，此種方法適合在明顯同名點特征使用，同名點最少應該選擇四個；②按照測站的人工交互移動，移動沒有配準的測站至已經完成配準的相應位置。完成粗配工作后，選擇自動化ICP精配方法，確保配準精準度提升。

3.5 立面圖的測制方法

采用完成處理的點云數據進行建筑物立面圖的側制定，具體方法如下[4]：①提取建筑物立面特征點。此種方法需由操作人員利用電腦通過立體化觀測方法進行點面的合理選擇，而后在CAD平臺上繪圖，因立體化觀測方法容易產生大量點云，準確測標切準點會遭受觀測角度與主觀判斷因素的約束，所以相關人員需重復觀測與明確變換視角，這樣一來，容易降低操作效果；②平面投影插圖。此種方法可讓測量人員在重復變換角度確定觀測導致的低效問題，利用主動研發點云軟件投影功能，展開主平面投影操作，意在每一次平面鎖定才能編輯，將立體點云當中的干擾及時排出，將完成投影的目標點云在CAD平臺中直接導入，然后掃描平面矢量化，避免立體觀測復雜性，確保操作效果全面提升。本項目在具體開展中，集中選擇上述兩種操作方法，先運用第二個插圖方法，對投影下無法分辨清楚之處，需選用第一個立體觀測方法補繪。

3.6 外業測繪方法及補測

操作工具需使用測距儀、鋼卷尺、全站儀，進行大范圍缺漏測量，還需使用三維激光掃描儀進行補測。在CAD中根據外業測繪照片、外業補測數據制圖。

4 建筑物立面測量中三維激光掃描儀的實踐應用

4.1 建筑物立面的測量特點

在建筑物的立面測量中，對測量精度、細度提出很高的要求，且測量內容更豐富，需通過建筑外形詳細數據的全面收集，而且建筑物立面的測量對測量和繪圖水平提出很高的要求。在通常狀況下，建筑物的立面測量工期尚短，這就對員工提出了短時內實現高精準度信息的獲取要求，這在無形中可讓測量難度最大化增加。例如，在測量城市建筑物立面時，開展測量工作必定會困擾到城市往來行人及行走車輛，但所需收集的信息非常多，容易增加測量人員的工作壓力。所以在測量建筑立面工作中，通過三維激光掃描技術全方位的測量建筑立面，并進行高效快速掃描，可讓掃描誤差合理降低，提升測量操作效果，從而對傳統工作中存在的問題進行妥善處理。

4.2 前期準備工作

點云數據精準度缺乏的主要因素有很多，如建筑物立面的測量環境掃描儀本身特點等。所以在掃描任務開展前期，需高度重視勘察現場環境，確保所選的掃描儀更合理。通過提前勘察了解到，部分測量范疇內人流上下班的高峰時段屬于集中表現，在局域內，因樹木較高且短時內不能避開，外加這個建設范疇內，建筑物高度一般很矮且地形相對平坦，所以運用高精準度、簡單易操作特點的三維激光掃描技術。此類技術最大的測量間距需控制在450m，控制其測量精準度為8mm-100m范疇以內，時間段需選擇每天上午的10點到下午3點，躲避上班下班高峰時段，確保數據的獲取精度提升，并降低該區域所受影響至最低[5]。

4.3 建筑物的立面圖繪制方法

在建筑物立面的測量工作中，重點步驟就是繪制立面圖，繪制圖形需要全面還原建筑物，給開展相關工作供應數據支撐。在建筑物立面圖的繪制中，需采用相應繪制平臺，其中價值最高的平臺則是Microsation。該平臺和計算機輔助軟件中的設計系統需具備兼容性，并進行完成收集的點云數據進行導入，在平臺上搭建輔助性坐標體系，給開展線化描繪操作提供保障，而后以此為前提，合理轉換投影，最終修飾標注。在繪制建筑物立面圖時，不僅需遵從以上操作流程，又要選擇科學舉措，保證數據更精確與測繪效率。

4.4 處理點云數據[6]

第一，在Trimble Realworks軟件中傳輸測到的點云數據，并將自動配準工具用于配準功能的模塊之中。此類軟件會按照各測站中點云掃描幾何特征判定其是否作為相同平面，并按照建筑平面幾何特點，合理開展不同測站的點云配準。如果一些測站中計算機無法自動開展配準，需選用人工選擇方式展開名點配準。在測量外業過程中，如果需要采用銜接靶標球進行測站點拼接時，需鑒于配準目標工具在配準功能下進行配準操作。

第二，配準工作完成后，需要去噪處理點云。采用三維掃描技術進行外業測量操作的開展，該儀器可以收集全部能夠發射激光信號物體，其中包含建筑物立面以外樹木、行人、車輛等，除了有利于數據分析量增加外，還會對提取建筑物立面與識別特征產生影響。

第三，完成點云數據分割后，需開展正攝投影。也就是選擇建筑物立面相同點云數據中三個豎直特點定義投影面，并利用數字化正射影像特性之中的定向量檢查投影面的豎直性。而后定義圖像分辨大小、像素、投影點云區，在此過程當中，點云密度、分辨大小、圖像像素之間的關系密切，說明建筑立面存在越多的點云數據，正射影像分辨率就會越高。另外，正射影像數字顏色定義需要將彩色代碼、弧度級別、真彩色等性質為據，按照不同狀況，簡化影像的判讀工作。

5 結束語

總之，立身于新型測量技術的運用，梳理三維激光掃描儀測量地面的操作原理。與某區域建筑物立面的測量工作結合在一起，采用三維激光掃描技術全天無休、準確性、高效性等技術特征，幫助相關人員完成建筑物立面的測量項目規劃，并獲得了理想的效果。對比傳統建筑物的立面測量工作而言，選用測距儀及皮尺操作，現場操作需預先繪制草圖，針對測量困難之處需選用目測方式，此種測量方法精度不高及作業流程復雜。本文對地面三維激光掃描儀進行傳統操作方式的積極改善，在采集數據效果與成圖精準度方面都實現了大幅度提升。