探究三維激光掃描儀在建筑立面測(cè)繪中的應(yīng)用

何流

摘要：隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，建筑外立面測(cè)繪工作逐漸增多，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代建筑立面測(cè)繪的相關(guān)要求。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，克服了傳統(tǒng)建筑立面測(cè)量的局限性，它能對(duì)建筑物進(jìn)行無(wú)接觸、快速、高精度掃描，同時(shí)將獲得的點(diǎn)云信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)的高效測(cè)量方式，因此成為建筑立面測(cè)繪的新方法。結(jié)合工程項(xiàng)目重點(diǎn)分析建筑立面測(cè)繪的相關(guān)問(wèn)題，討論三維激光掃描儀的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；建筑立面；測(cè)繪應(yīng)用

一、前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原有城市基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不能滿足發(fā)展需求，所以必須綜合整治建筑立面、交通等，既可以完善城市交通網(wǎng)，提升街區(qū)整潔度，還能夠加強(qiáng)街區(qū)業(yè)態(tài)活性，豐富生態(tài)景觀，從而展示出城市發(fā)展面貌。在改造城市基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，如果周邊原有歷史街區(qū)、建筑，則要保護(hù)無(wú)需改造的設(shè)施，表現(xiàn)出街區(qū)建筑立面的統(tǒng)一性、整體性。在開(kāi)展施工之前，以測(cè)繪方式獲取建筑信息，如全站儀法、人工測(cè)量法、近景攝影測(cè)量法、三維激光掃描法[1]。由于傳統(tǒng)測(cè)繪方式面臨較多的工程量時(shí)很難保證測(cè)繪精度，所以要研究工程量少、精度高的測(cè)繪方法，即三維激光掃描技術(shù)，從而有效地適應(yīng)建筑立面的測(cè)繪要求[2]。

二、三維激光掃描技術(shù)

（一）技術(shù)原理

在科研、工程項(xiàng)目領(lǐng)域，三維激光掃描儀應(yīng)用非常多，包括相位差式、脈沖式、三角測(cè)距式，其中應(yīng)用最廣泛的是脈沖式。該掃描儀的工作原理是遵循激光測(cè)距原理掃描，掃描儀負(fù)責(zé)發(fā)射、接收激光信號(hào)，測(cè)量返回時(shí)間的距離，以激光脈沖獲取建筑密集點(diǎn)的信息，內(nèi)業(yè)處理掃描信息后獲取建筑的特征點(diǎn)，整理掃描物信息后建立建筑模型。此外，在外業(yè)掃描操作中，按照實(shí)際要求配置數(shù)碼相機(jī)，獲取實(shí)體影像信息，詳細(xì)記錄建筑顏色信息。在處理后期數(shù)據(jù)時(shí)，加載掃描數(shù)據(jù)的點(diǎn)云像素，選取特征點(diǎn)繪制圖像，加強(qiáng)可視化效果[3]。

（二）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描儀屬于非接觸測(cè)量系統(tǒng)，能夠收集高密度、大面積的三維數(shù)據(jù)信息，具備較高的數(shù)據(jù)收集效率。相比普通測(cè)量法，三維激光掃描法的工作點(diǎn)位精度高，且點(diǎn)位密度大，能夠提升數(shù)據(jù)信息、坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)的掃描速率。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)式光源，即使在無(wú)光照條件下也可以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)，所以逐漸應(yīng)用到隧道內(nèi)部、建筑內(nèi)部的掃描工作中。三維激光掃描設(shè)備能夠同步接收反射激光、可見(jiàn)光條件，掃描處理光照強(qiáng)度、物體色彩，從而形成三維坐標(biāo)體系，獲得三維影像信息[4]。

（三）技術(shù)路線圖

基于三維激光掃描儀的工作原理，參考項(xiàng)目的目標(biāo)成果，制定掃描工作的流程。之后，制定掃描工作技術(shù)路線，如圖1所示。

三、三維激光掃描作業(yè)流程

建筑立面測(cè)量時(shí)，如果使用三維激光掃描儀裝置，則測(cè)量環(huán)節(jié)非常多，比如點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理、繪制立面圖。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、架站掃描、繪制草圖等。數(shù)據(jù)處理涉及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、繪制立面圖[5]。

（一）采集數(shù)據(jù)

第一，現(xiàn)場(chǎng)踏勘。外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，測(cè)量人員要深入現(xiàn)場(chǎng)踏勘，保證掃描路線的合理性。

第二，架站選擇、掃描。掃描儀架設(shè)地點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)與人群、車(chē)輛保持安全距離，選擇堅(jiān)硬地面，鄰近站要具備通視條件，且包含30%的公共區(qū)域。當(dāng)區(qū)域遮擋嚴(yán)重時(shí)，則要增加測(cè)站的數(shù)量，保證數(shù)據(jù)采集的完整性。同時(shí)要控制架站密度，以免數(shù)據(jù)采集、處理的工作量增加。掃描操作中，保證點(diǎn)云密度設(shè)置的合理性，減少點(diǎn)云過(guò)疏問(wèn)題，以免影響建筑特征點(diǎn)的精度。同時(shí)控制點(diǎn)云過(guò)密問(wèn)題，以免增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)量、內(nèi)業(yè)處理時(shí)間。在掃描操作中要使用不同等級(jí)，參考項(xiàng)目要求、掃描對(duì)象復(fù)雜度，采用中密度掃描模式。

第三，繪制草圖。掃描操作中，通過(guò)視覺(jué)慣導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)追蹤掃描儀的位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)拼接。當(dāng)掃描鄰近點(diǎn)無(wú)重疊區(qū)時(shí)，則掃描儀不能自動(dòng)拼接。繪制草圖是在地形圖上記錄掃描路線、測(cè)站編號(hào)，幫助內(nèi)業(yè)完成點(diǎn)云拼接。

（二）數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描結(jié)束后，內(nèi)業(yè)將測(cè)站點(diǎn)云導(dǎo)入軟件內(nèi)，處理拼接之后，可以形成完整的點(diǎn)云。

第一，點(diǎn)云拼接。基于約束條件，將多站掃描數(shù)據(jù)配置到統(tǒng)一坐標(biāo)系內(nèi)。采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，采用視覺(jué)追蹤技術(shù)、拼接技術(shù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入云端，以點(diǎn)群方式顯示。檢查預(yù)拼接云群的精度后，采用視圖拼接方式，將鄰近點(diǎn)群拼接在一起。拼接操作結(jié)束后，注重優(yōu)化約束條件，凍結(jié)生成ScanWorld、Modelspace，完成拼接操作。

第二，點(diǎn)云統(tǒng)一化。將多站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理為合并點(diǎn)云，是點(diǎn)云優(yōu)化處理法。拼接各個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，則會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊問(wèn)題。點(diǎn)云融合目的是按照點(diǎn)云歸一化算法，優(yōu)化重疊點(diǎn)云，便于瀏覽、選擇點(diǎn)云。

第三，點(diǎn)云去噪。是一種優(yōu)化點(diǎn)云的過(guò)程，對(duì)于掃描儀裝置的原始點(diǎn)云，涉及干擾點(diǎn)、錯(cuò)誤點(diǎn)，因此噪聲來(lái)源比較多，當(dāng)物體表面比較光滑，采用鏡面反射方式，可能會(huì)出現(xiàn)大量錯(cuò)誤點(diǎn)。在溫度、強(qiáng)光、雨霧的環(huán)境影響下，傳感器捕捉到錯(cuò)誤信息。激光光束的離散度，可以同步光束發(fā)射、接收物體反射光束，所以地物邊緣存在明顯的噪聲。去噪之后，采用軟件算法進(jìn)行計(jì)算，以“Terrasolid”、人機(jī)交互法開(kāi)展點(diǎn)云濾波處理。應(yīng)用軟件內(nèi)的“Fence”框選工具，選擇要?jiǎng)h除的點(diǎn)云。如果處于復(fù)雜場(chǎng)景，則采用“Limit Box”工具約束范圍，之后刪除點(diǎn)云。

第四，點(diǎn)云抽稀。根據(jù)工程的精度要求，抽稀處理原始點(diǎn)云，緩解數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理壓力。應(yīng)用三維激光掃描儀，短期獲取大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率、速度的影響大，在確保里面細(xì)部精確度的同時(shí)，要做好點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀處理[6]。

（三）高程誤差改正模型

高程點(diǎn)位精度，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的監(jiān)測(cè)效果影響非常大，因此要對(duì)點(diǎn)位高程精度提出嚴(yán)格要求。按照建筑工程測(cè)量規(guī)范可知，點(diǎn)位高程位移平均速率控制值為每日2mm，分析掃描結(jié)果可知，如果點(diǎn)位高程沒(méi)有經(jīng)過(guò)改正處理，則很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此要嘎正高程點(diǎn)位誤差。分析系統(tǒng)點(diǎn)位精度、高程誤差方差、貢獻(xiàn)率可知，測(cè)距對(duì)高程誤差的影響較大，高程誤差、測(cè)距的相關(guān)性較強(qiáng)，因此要選擇基線比較模型法，對(duì)高程誤差進(jìn)行排查，才可以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。

（四）繪制立面圖

第一，建筑立面編號(hào)。繪制立面圖前，應(yīng)當(dāng)做好編號(hào)處理，將方位索引編號(hào)標(biāo)記到立面。如果一個(gè)立面的折面比較多，則要添加數(shù)字編號(hào)。命名圖名時(shí)，要參考測(cè)區(qū)名稱(chēng)—建筑編號(hào)—方位索引號(hào)的格式。

第二，繪制立面圖。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件內(nèi)，處理為rcp.格式點(diǎn)云，之后導(dǎo)入繪圖軟件內(nèi)。合理設(shè)置用戶坐標(biāo)系，將建筑立面投影到正視圖中。

四、工程案例

（一）案例一

1.工程實(shí)況

A建筑立面測(cè)繪項(xiàng)目是城區(qū)改造項(xiàng)目，繪制建筑立面結(jié)構(gòu)，建立三維模型，為建筑立面治理提供參考。項(xiàng)目所在區(qū)域的道路長(zhǎng)度為3.36km，路面寬度小，分布低矮建筑。沿線樹(shù)木高大，遮擋問(wèn)題嚴(yán)重，交通運(yùn)行量大。

2.工作流程

三維激光掃描建筑立面開(kāi)展時(shí)，劃分為前期準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)成果實(shí)現(xiàn)。在前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，要收集好項(xiàng)目范圍內(nèi)的資料，明確項(xiàng)目背景、項(xiàng)目需求、技術(shù)重難點(diǎn)，聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，優(yōu)化配置測(cè)繪人員，設(shè)置技術(shù)路線，編制詳細(xì)的測(cè)繪方案。外業(yè)數(shù)據(jù)掃描時(shí)，明確測(cè)站位置、掃描參數(shù)，通過(guò)三維激光掃描儀掃描目標(biāo)、拍攝影像圖。完成數(shù)據(jù)采集后，自主檢查數(shù)據(jù)。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，通過(guò)點(diǎn)云處理軟件開(kāi)展查看、拼接、降噪、抽稀處理。數(shù)據(jù)成果實(shí)現(xiàn)則采用點(diǎn)云漫游、立面繪制切片、三維建模實(shí)現(xiàn)，繪制完整的建筑立面圖。

3.關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

第一，前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。三維激光掃描建筑立面要確定項(xiàng)目工作流程、設(shè)站位置、掃描儀性能。在前期準(zhǔn)備工作中，要深入現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選擇適宜的掃描儀設(shè)備。采用前期踏勘方式可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量區(qū)的人流量多集中在上下班高峰，且樹(shù)木高大，建筑低矮。按照區(qū)域的實(shí)際情況，選擇掃描儀時(shí)要考慮高精度、遠(yuǎn)測(cè)程、便于操作的特點(diǎn)，如HS450三維激光掃描儀測(cè)距精度為8mm@100m、最大測(cè)距450m，全景分辨率高于7000萬(wàn)像素，測(cè)量頻率為每秒50萬(wàn)點(diǎn)。選擇10：00—15：00為測(cè)量時(shí)間范圍，站間距離為30m。如果區(qū)域的測(cè)量難度大，則結(jié)合三維激光掃描法、傳統(tǒng)測(cè)量法。

第二，外業(yè)數(shù)據(jù)采集。在采集外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)三維建模質(zhì)量的影響非常大，人流量對(duì)噪點(diǎn)形成的影響大。在外業(yè)測(cè)量中，不僅要采取錯(cuò)峰手段，還要應(yīng)用彈性測(cè)量機(jī)制，人為控制數(shù)據(jù)采集，縮短掃描儀、建筑物的間距，增加測(cè)站數(shù)量。在數(shù)據(jù)處理中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接為操作難點(diǎn)，確保前后測(cè)站間的重疊度達(dá)到30%，同時(shí)關(guān)注不同測(cè)站間的公共平面。在本次項(xiàng)目中，選擇不同激光點(diǎn)頻率設(shè)置，開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)法，從而將點(diǎn)頻率確定為100kHz。設(shè)置分辨率參數(shù)，能夠決定掃描數(shù)據(jù)量、掃描時(shí)長(zhǎng)。

第三，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。點(diǎn)云拼接處理是將站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)配置到坐標(biāo)系內(nèi)，屬于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟，拼接精度對(duì)成果質(zhì)量的影響大。此次項(xiàng)目中，使用軟件的鄰迭代配準(zhǔn)算法，按照前后順序自動(dòng)拼接點(diǎn)云，針對(duì)掃描角度、光照、環(huán)境影響下無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接的點(diǎn)云，則要在軟件內(nèi)識(shí)別鄰近站點(diǎn)的標(biāo)靶紙?zhí)卣鼽c(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)拼接，之后檢查拼接誤差，確保拼接誤差小于2cm。本次項(xiàng)目中采用軟件自帶的點(diǎn)云自動(dòng)過(guò)濾功能，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云降噪處理。針對(duì)人、車(chē)影，如果不能自動(dòng)去除時(shí)，則要以點(diǎn)云度變形選擇器圈定噪聲點(diǎn)云，之后再手動(dòng)刪除。精簡(jiǎn)、分割點(diǎn)云時(shí)，要使用軟件自帶功能處理，導(dǎo)出DXF.格式點(diǎn)云文件，采用CAD軟件繪制立面圖。

第四，分析掃描精度。為了對(duì)三維激光掃描儀的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，分析建筑立面測(cè)繪的精確度，使用全站儀設(shè)備測(cè)量建筑立面、拐角坐標(biāo)、門(mén)窗部位等，對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)、掃描數(shù)據(jù)，如表1所示。基于數(shù)據(jù)結(jié)果，無(wú)需考慮全站儀測(cè)量的精度誤差，確保建筑測(cè)繪數(shù)據(jù)、全站儀測(cè)繪誤差小于10mm。測(cè)繪工作精度應(yīng)當(dāng)滿足建筑測(cè)繪的設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，量測(cè)同一特征線的測(cè)繪點(diǎn)，對(duì)比測(cè)繪結(jié)果、鋼尺量測(cè)結(jié)果，并將其作為本文點(diǎn)位的測(cè)繪精度，如表2所示。

通過(guò)上述結(jié)果可知，測(cè)繪誤差值最小為1mm，最大為8mm，各項(xiàng)測(cè)繪誤差控制在10mm內(nèi)，所以本文設(shè)計(jì)方法的精度較高。

（二）案例二

1.工程概況

A路是展示城市形象的重要窗口，綜合改造和整治臨街建筑，整合處理街區(qū)內(nèi)臨街墻面、門(mén)面的無(wú)序狀態(tài)，形成高品位的示范區(qū)，有助于完善城市功能、提升城市形象，改善沿線市民居住環(huán)境。改造之前，對(duì)臨街建筑立面進(jìn)行普測(cè)，為改造設(shè)計(jì)提供參考。

2.實(shí)施概要

A路全長(zhǎng)為1.8km，建筑立面測(cè)繪面積為9.8萬(wàn)平米。建筑立面圖涉及建筑立面全要素，比如空調(diào)外機(jī)、落水管、水表電箱、墻面等。提取立面特征點(diǎn)，參考建筑制圖的標(biāo)準(zhǔn)，繪制建筑立面輪廓，保證建筑形狀、附屬結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系表達(dá)的準(zhǔn)確性。繪制立面圖后，要使用CDA軟件查詢(xún)對(duì)象面積，此時(shí)就要應(yīng)用到對(duì)象數(shù)形窗口，針對(duì)性選擇圖層信息，統(tǒng)計(jì)要素的數(shù)量和面積。

3.質(zhì)量檢查

檢查建筑立面的質(zhì)量，可以保證立面圖要素內(nèi)容的正確性、要素表達(dá)的完整性，同時(shí)確保立面圖要素繪制、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相符度。只有保證搭接關(guān)系、空間表達(dá)的正確性，才可以保證圖面整潔度、立面圖提交格式達(dá)標(biāo)。為了檢驗(yàn)測(cè)繪精確，測(cè)量人員要使用傳統(tǒng)測(cè)量法，先在測(cè)量區(qū)選擇18條邊，對(duì)比建筑提取的特征線，結(jié)果如表3所示。分析表內(nèi)數(shù)據(jù)可知，邊長(zhǎng)較差分布在1～3cm，邊長(zhǎng)中誤差大約為3cm，精度滿足規(guī)范要求。

4.注意事項(xiàng)

第一，建筑立面測(cè)量操作時(shí)，要控制三維激光掃描儀、建筑立面的距離，外業(yè)掃描時(shí)，以中低密度點(diǎn)模式為主，但不能選擇高密度點(diǎn)模式，避免延長(zhǎng)外業(yè)掃描時(shí)間、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)間，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)容量擴(kuò)大。

第二，建筑立面圖繪制時(shí)，曲面繪制難度大，針對(duì)立面點(diǎn)云進(jìn)行垂直切片處理，同時(shí)沿著點(diǎn)云的橫截面繪制曲線，檢查曲線數(shù)形、長(zhǎng)度。繪制立面圖后，標(biāo)注出相關(guān)尺寸。

第三，在掃描目標(biāo)建筑時(shí)，鄰近建筑、樹(shù)木會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的遮擋作用，致使目標(biāo)建筑的點(diǎn)云數(shù)不完整，內(nèi)業(yè)無(wú)法獲得準(zhǔn)確的建筑結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)露明部分的尺寸，逐步推算隱蔽尺寸，特別要說(shuō)明推算結(jié)果。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在測(cè)繪建筑物立面時(shí)，全站儀法也可以提升外業(yè)效率，但是面臨的外業(yè)工作量非常大，如果點(diǎn)位特征不明顯，則很難準(zhǔn)確識(shí)別，不但需要測(cè)繪人員花費(fèi)大量的時(shí)間與精力，而且獲取的測(cè)繪結(jié)果精準(zhǔn)度不足。而三維激光掃描儀屬于新的測(cè)繪方法，能夠縮短外業(yè)操作的時(shí)間，且內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中能夠直觀看到建筑形狀、變化趨勢(shì)，可以保證外業(yè)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，之后繪制準(zhǔn)確的圖像可以實(shí)現(xiàn)可視化的作業(yè)效果，最大限度地提升測(cè)繪效率與質(zhì)量。本文采用具體案例分析法，論述三維激光掃描的技術(shù)要點(diǎn)，之后分析掃描精度，驗(yàn)證了三維激光掃描儀的應(yīng)用效果，可以保證建筑立面測(cè)繪的準(zhǔn)確度，為后期施工提供參考信息。

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