三維激光掃描技術在建筑物立面測繪中的應用

張 迪

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

由于城市化和現代化的進程，許多舊城區面臨著老化、退化和功能失調等問題，例如狹窄的街道、老舊的建筑物、交通擁堵等，需重新進行城市規劃和布局。百城建設提質工程主要以推動城市發展，提升城市品質和居民生活水平，促進經濟增長和社會進步為目的，實現可持續發展的目標，打造宜居、宜業、宜游的城市環境，使舊城區重新煥發活力，提高居民的生活品質，而街道立面改造作為其主要工作內容之一可以有效改善街道整體視覺效果，提升城市形象[1-3]。立面圖測繪可為規劃和設計提供準確的建筑信息和外觀表達，如建筑物的形狀、比例、空間關系等，幫助決策者和設計師更好地理解和評估舊城區的現狀，為建筑設計、歷史文化研究、市政規劃等提供重要的依據和數據。然而，傳統的立面測繪方法往往依賴于全站儀、經緯儀外業測量和測量員進行繪制，耗時耗力且容易出現誤差。三維激光掃描技術能夠快速、準確地獲取建筑物表面的大量測量點，生成高密度的三維點云數據。通過對點云數據的處理和分析，可以實現建筑物立面的幾何建模、形態分析和細節提取等操作，實現快速、高精度的測繪，大大提高了立面圖測繪效率和精度。

1 相關技術理論

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是一種基于激光原理的測量方法，在建筑、工程、文物保護、制造業等領域被廣泛應用。該技術通過激光器發射脈沖激光束照射到目標物體表面，通過測量激光的反射時間或相位差，計算出每個點的三維坐標信息。這些坐標可以表示為點云數據，通過數據處理和配準，可以生成具有幾何形狀的三維模型。三維激光掃描技術具有非接觸、快速、精確的特點，能夠在短時間內獲取大量高質量的幾何數據，為現實世界的物體和環境提供了高精度的數字表示，支持可視化、分析、設計等應用。通過三維激光掃描技術，可以實現對復雜物體的準確測量和建模，為相關行業提供了更高效、精確和可靠的解決方案[4-5]。

1.2 立面圖測繪技術

立面圖測繪技術是一種通過對建筑物立面進行測量和繪制，以獲取建筑物外形、結構和細節信息的測繪方法，通過使用測繪儀器和軟件，結合實地勘測和大數據處理技術，能夠準確捕捉建筑物立面的形態、尺寸和比例關系，并反映建筑物的設計和構造，該技術在建筑設計、工程施工和城市規劃等領域具有重要意義。

2 測區概況及點云數據處理

2.1 測區概況

此次實驗對象為某偏僻破舊臨街兩層建筑，為改善當地居民生活條件，改變城市面貌，提升城市綜合承載能力，應當地房管部門要求進行建筑物立面圖測繪工作，為后期施工提供建設依據和方便工程造價核算。經皮尺粗測目標建筑東西長約17.5 m，南北寬約22.5 m，建筑物底部至最高處11 m，建筑物整體老舊，西面為沿街店鋪，北面為巷道用于出入通行，建筑物周身廣告牌、電線、遮雨棚等搭建嚴重，且北面為一棟老式住宅，相鄰不足10 m，現場通視效果極差，給傳統作業帶來諸多不便，傳統測量方式設站困難，因此，應用三維激光掃描儀采集外業點云數據。測區實景照片如圖1所示。

圖1 目標建筑實景照片

2.2 三維激光掃描儀精度評定分析

案例選用Trimble TX8三維掃描儀，掃描速度100萬點/秒，大測程120 m或340 m，在120 m測程范圍內，其測距精度達到2 mm，激光等級1類，掃描視場360°×317°。為確保掃描儀的精度，提供更可靠、準確的數據基礎，提升數據處理和分析的可靠性和準確性，此次還對掃描儀進行精度評定，相關指標見表1[6-8]。

表1 三維激光掃描精度指標體系

對照基準選擇的是Leica Axyz經緯儀測量系統，該系統是基于測角、量距的前方空間交會原理的精密測量原理，能夠用兩架以上的配套電子經緯儀直接得到量測點的三維坐標，而且相對定向能達到1″，絕對定向能達到3×10-3mm，精度極高，為三維激光掃描儀器的檢測提供了較好的解決途徑。

（1）絕對精度評定。三維激光掃描無法和全站儀一樣直接測量獲取掃描點坐標，本文在每個站點布設5個平面靶標，通過靶標中心擬合獲得中心點坐標，并與電子經緯儀測量結果對比，掃描儀測站距離統一設定為100 m，每站中誤差結果見表2。

表2 掃描點絕對位置精度統計表 單位：mm

根據表2精度統計結果可以看出，平面點位中誤差和高程中誤差一般在2 mm左右，空間點位中誤差為2.8 mm，所有中誤差均不超過3 mm，能夠滿足立面測量點位精度要求。

（2）相對精度評定。相對誤差評定主要以6組5個靶標，且每組隨機抽取3個靶標，擬合靶標中心坐標進行相互間相對位置、間距、高程差和間距，共進行了18組數據計算，見表3。

表3 掃描點相對位置誤差 單位：mm

根據表3相對評定結果可以看出，檢測點相對位置、間距、高程和空間間距中誤差均在1.5～2 mm，精度較高。綜合對Trimble－TX8三維激光掃描儀的絕對精度和相對精度評定結果可知，在100 m范圍內，其測距精度在2 mm左右，能夠滿足一般立面圖測繪應用要求。

2.3 外業數據采集及預處理

應用三維激光掃描技術實現建筑物立面圖測繪的主要步驟包括準備工作、設備設置、掃描操作、數據處理、立面圖生成和數據驗證等操作和步驟。首先確定測量區域范圍，將三維激光掃描儀安裝在適當的位置并設置好相關參數，確保設備能夠全面掃描建筑物的立面；然后將掃描得到的激光點云數據導入到點云處理軟件中，進行數據預處理；再基于點云插件，建立建筑物三維模型，并將三維模型轉換為二維立面圖，包括墻面、窗戶、門等細節，并標注尺寸和其他必要信息；最后對生成的立面圖進行驗證和校對，與實際建筑進行比對，確保測繪結果的準確性和一致性。

外業數據采集測站布設方案如圖2所示，首先進行實地踏勘，明確掃描的范圍和現場遮擋情況，同時收集附近可用的控制點和水準點等數據，若控制點數不足4個，則需根據CJJ/T 8—2011《城市測量規范》、GB 50026—2007《工程測量規范》、CH/Z 3017—2015《地面三維激光掃描作業技術規程》等規范要求布設平高控制點，由于本次實驗對目標建筑絕對坐標要求不高，因此，應用GPS-RTK采集控制點坐標，方便后期進行坐標轉換。由于本次只對建筑物西、南兩個面進行改造，測區范圍較小，因此計劃布設3個測站，點云數據采集從建筑物西北角開始，逆時針進行點云數據采集。為保證后期不同測站點云數據拼接和坐標轉換，還需要進行相鄰測站靶標布設工作，靶球擺放要均勻布置，且避免在同一高度或同一平面內的情況出現，防止坐標轉換出現較大偏差[9]。

圖2 外業數據采集測站布設方案

外業建筑物點云數據獲取完成后，要想提取出有用的點云信息并準備好數據以供后續分析和應用，需進行點云數據預處理。首先進行點云配準，將不同掃描位置的點云數據對齊到一個全局坐標系中，本項目主要應用靶球特征匹配進行點云配準；然后進行點云去噪處理，將因系統誤差、環境干擾或掃描設備噪聲引起的離群點或噪聲進行濾波處理；再進行點云數據轉換，將相對坐標點云數據轉換到當地城市坐標系下，方便統一規劃管理；最后進行點云分割，目標物體或區域可能需要進行分割和提取。預處理后的點云數據如圖3所示。

圖3 預處理后的目標建筑物點云數據

3 三維模型重建及精度分析

3.1 三維模型重建

三維模型重建借助的是Undet插件，主要可對點云數據進行清理、分割、分類、擬合等操作，并能基于點云生成三維模型。首先在SketchUp軟件中安裝并啟動Undet插件，并點擊Undet插件的工具欄中的“點云轉換”功能，本文導入原始點云數據格式為.las，經格式轉換后為.ipcp格式；再基于插件將.ipcp格式點云數據導入到SketchUp軟件，再根據點云數據的特征，對目標建筑進行分解，并使用SketchUp軟件的基本建模工具（如線段、面、三維形狀等）創建目標形狀。為保證模型精度，在建模過程中需利用Undet插件的點云對齊工具，將點云數據與創建的基礎形狀進行對齊，確保模型與點云數據吻合。最后根據需要，使用SketchUp軟件的相關工具添加細節，如空調外機、窗戶、卷簾門、臺階等，以提升和完善三維模型效果。本文建立的目標建筑三維模型效果如圖4所示[10-14]：

圖4 基于點云和建模軟件建立的三維模型

3.2 立面圖繪制

文章立面圖繪制是基于建立的三維模型基礎上，首先在SketchUp軟件中可以通過旋轉、縮放和平移視圖等操作，使模型在畫面中展示出最佳的角度和比例；然后點擊菜單欄中的“文件”，選擇一個適合的導出文件格式，由于需要將自動生成的線畫圖導入到CAD軟件進行潤色，因此選擇導出格式選擇為.dwg格式，并設置導出的線條粗細、線型、顏色以及背景色等屬性，指定導出路徑和文件名導出線畫圖。最后再使用CAD軟件對二維線畫圖進行調整圖層、設置線型、添加標注和尺寸、進行圖形修飾、添加文字和注釋等處理，以使線畫圖更清晰、準確和美觀，達到預期效果。本文繪制好的建筑物立面效果如圖5所示[15]。

圖5 建筑物立面效果圖

3.3 成果精度分析

為驗證文章提出方法立面成果的精度，使用全站儀對實際建筑進行了測量，并選擇窗戶、門、墻面、廣告牌和樓梯等特征物作為參照物，最后將測量數據與全站儀測量數據進行對比，結果見表4。

表4 三維模型外立面數據檢核表 單位：cm

每個特征區域選擇五組特征點距進行偏差計算，中誤差計算公式如式（1）所示[16-18]：

式中：L為實測長度，σl為檢查點單位權重誤差，n為檢測次數。

通過計算得出，除了墻面目標4外，模型立面數據與實測值的差值均不超過5 cm，且計算出中誤差為2.84 cm，不超過3 cm，精度較高，研究結果表明利用三維激光掃描技術進行建筑物立面測繪能夠達到設計部門的精度要求。

4 結語

城市數字化建設飛速發展，臨街老舊建筑立面測繪作為建筑物改建、擴建工程設計和施工的依據，其相關工作尤為重要。文章針對三維激光掃描技術在立面圖測繪中應用展開了研究，對點云數據的采集、點云預處理、立面圖的制作以及整體解決方案等都進行了論述。研究結果表明該方法具有很強的適用性，有效避免傳統立面測量效率低、數據準確性難以保證、人力物力投入大等痛點問題，從而為老舊街區保護和更新改造提供新思路，具有較好的借鑒和推廣價值。