三維激光掃描技術在建筑立面測繪中的應用研究

林 斌，陳國忠，林佳黎

（1.福建省地質測繪院，福建 福州 350011；2.福建山水測繪地理信息有限公司，福建 福州 350011）

建筑立面測繪對當前城市建筑修繕與改造具有直接影響，能夠為其提供精度較高的測繪數據，幫助繪制建筑物圖件。當前，建筑立面測繪方法種類較多，例如建筑立面全站儀測量、建筑立面近景攝影測量、三維激光掃描等。其中，三維激光掃描技術應用范圍較為廣泛，測繪精度較高，能夠精確地反映建筑立面的各項數據[1]。三維激光掃描系統由激光掃描設備以及相應的配套軟件共同構成，通過激光發射器實時發出脈沖激光信號，經過投射、漫反射與掃描，得到建筑立面測繪數據及建筑立面特征。現階段，三維激光掃描技術在實際工程應用中仍然存在一些缺陷，無法為建筑修繕與改造提供精度較高的測繪數據。基于此，本文以R 老舊小區改造建筑立面測繪工程項目為例，深入開展了三維激光掃描技術在測繪中的應用探究。

1 設計三維激光掃描系統

在建筑立面測繪中，三維激光掃描系統設計得是否合理至關重要，直接影響了建筑立面測繪結果的精度[2]。基于此，本文在三維激光掃描系統設計中，選取與較傳統掃描系統相比，精度與性能更高的設備，提高系統運行質量與效率，為系統的高效運行提供基礎保障[3]。三維激光掃描系統使用設備優化選型如下：掃描儀，W1200 Pro；控制器，LMK-5104RL3A；激光發射接收裝置；CCD 相機，OSTTZ200H2；計算機系統，Windows7。基于激光測距原理，設置建筑立面目標物上某點P，建立建筑立面空間點的三維幾何關系，如圖1 所示。

圖1 建筑立面空間點三維幾何關系示意圖

圖1 中，表示三維激光掃描系統中激光發射器到建筑立面目標物上任意點P 與掃描儀之間的距離；表示三維激光掃描系統控制編碼器同步測量激光脈沖橫向掃描角度；表示三維激光掃描系統控制編碼器同步測量激光脈沖縱向掃描角度。根據掃描儀三維坐標計算原理，計算建筑立面目標物上點P的三維坐標，公式為

根據建筑立面目標物上點P 的三維坐標，得出建筑立面三維激光的反射強度，結合CCD 相機，獲取被測建筑立面的RGB 信息。三維激光掃描系統根據測距原理不同，其采用的三維激光掃描技術也存在較大差異[4]。本文在綜合考慮建筑立面測繪需求與測繪特征后，選擇應用范圍較廣泛、適用性較強的激光三角測距法。該方法主要利用三角形幾何關系，求解被測建筑立面與激光發射裝置之間的距離。三維激光掃描系統的激光三角測距法原理如圖2 所示。

圖2 激光三角測距法原理圖

利用圖2 所示的激光三角測距法，獲取被測繪建筑立面掃描對象的全部信息數據。通過激光發射器，得到發射激光的入射光角度與回波信號之間的反射光角度，進而獲取建筑立面局部觀測數據與三維空間信息[5]。此種測距法掃描距離較長，測距范圍廣泛，更加適用于建筑測繪工程項目。

2 建筑點云數據采集與預處理

完成上述設計后，接下來進行建筑點云數據采集與預處理，為后續立面測繪提供數據支撐。傳統的測繪方法在建筑立面外業數據采集中，受到建筑工程所在區域地形、測繪設站位置以及立面目標物體等各項因素的影響，其點云數據精度較低[6]。在綜合考慮傳統建筑立面外業數據采集方法存在的缺陷后，本文采用將三維激光掃描與二維激光雷達掃描相結合的方法，進行點云數據采集。雷達能夠實時反饋建筑點云數據對應的點深與角度，三維激光掃描系統根據點深與角度，有針對性地采集點云數據信息，可移植性較強。通過旋轉云臺位置，全面覆蓋建筑工程所在區域，使采集的建筑點云數據覆蓋全面。本文設計的建筑立面外業點云數據采集流程如圖3 所示。

圖3 建筑立面外業點云數據采集流程

首先，測制建筑立面圖紙，建立建筑立面三維實景模型，確定點云數據采集的技術路線；然后，根據技術路線，在合適的數據采集位置布設測站，架設全站儀；最后，基于二維激光雷達的建筑點深與角度反饋作用，獲取建筑點云數據的動態變化，不斷旋轉云臺位置。使用上述設計的三維激光掃描系統，全方位采集建筑立面外業點云數據[7]。將采集到的建筑立面每站點云數據配準到上述構建的建筑立面空間點三維幾何空間坐標系中，進行數據配準操作。根據配準結果，粘貼建筑立面測繪標靶紙[8]。在標靶紙粘貼前，對靶標球心位置、半徑與離散點之間的關系作出分析，設定靶標球心三維空間坐標為，靶標掃描點三維坐標為，其關系表達式為

式中：r 表示標靶半徑。對標靶紙粘貼參數計算結果進行擬合處理，減小誤差。利用HD Scene 點云處理軟件，加載建筑立面點云數據，基于標記特征點功能，分別求取靶標的三維水平角與三維豎直角，公式為

式中：φ、α 分別表示靶標的三維水平角與三維豎直角。在此基礎上，粘貼標靶紙。標靶紙粘貼位置的精確度直接影響了建筑立面內業數據質量，采用高低遠近錯落的粘貼方式，將其牢固粘貼在立面上，避免后續測繪作業中標靶紙發生滑動脫落。另外，設置三維激光掃描參數，包括激光點頻率、點云數據激光掃描范圍以及掃描分辨率。在此基礎上，對建筑立面點云數據進行預處理，包括點云著色、配準、降噪、分割、精簡、漏洞修補、紋理映射等預處理方法，其中，以點云數據配準為主。將采集到的站點點云數據統一到坐標系中，找出相鄰測站中點云數據存在的對應關系，通過平移旋轉的位置變換方式，使點云數據坐標位置完全重合。通過三維激光掃描系統的自動識別功能，命名相同點云位置的元素，求出同名點云數據坐標位置變換關系，拼接點云數據，全面提高建筑立面點云數據的質量。

3 基于點云數據提取建筑立面特征

獲取建筑立面點云數據后，利用點云數據提取建筑立面特征，達到建筑立面高精度測繪的目的。將上述預處理完畢的建筑立面點云數據導入CAD軟件中，將三維激光點云視圖方向設定為建筑立面正射投影方向。結合建筑立面測繪圖紙，描繪點云立面圖，基于橫平豎直的連線方式，在點云立面圖上連接各個測繪要素，使用輔助線，提高點云立面圖各線條的整體性，規避建筑立面點云邊緣不規則干擾的問題。

選取能夠準確描述建筑立面目標物體特征的點云數據中點，將其設置為建筑立面測繪細節特征點。連接能夠描述建筑立面輪廓的特征點，形成立面細節特征線，反映建筑立面測繪目標形狀與輪廓。基于三維激光點云模型的平面投影功能，將點云分割出建筑立面，導入上述平面點云數據至AutoCAD 中，基于點云數據提取建筑立面特征。

在建筑立面中，大多數細節結構均屬于對稱布局結構。利用CAD 軟件，勾繪立面測繪標準圖件，將其復制到其他對稱布局位置，既能夠減少測繪誤差，又能夠有效地縮短測繪時間，提高測繪效率。在此基礎上，利用三維激光掃描技術中的相位法，進行建筑立面測距作業。首先，基于三維激光無線電波段頻率，不斷調制激光束幅度；然后，測定三維調制激光信號在建筑立面被測距離上來回傳播所產生的相位差，測定來回時間；最后，計算建筑立面被測距離，公式為

式中：H 表示建筑立面被測距離；Δφ 表示三維調制激光信號來回傳播產生的相位差；f 表示三維激光脈沖頻率。通過計算，得出被測建筑立面的距離，實現建筑工程中立面測繪高精度的目標。

4 對比分析

為了檢驗上述測繪方法在工程建設中的有效性與可行性，選取某地區R 老舊小區改造建筑立面測繪工程項目作為此次研究依托，進行了如下文所示的應用對比分析，確認其可行性后方可投入使用。

R 老舊小區改造建筑立面測繪工程項目中，建筑樓體陳舊，樓間距較小，建筑樓群較為密集，建筑立面附屬物分布復雜。在建筑立面測繪中，需要分別從東南西北4 個方向，進行多維度測繪。此次研究中，采用FARO 350 三維激光掃描儀進行測繪數據采集，掃描儀性能參數設置如表1 所示。

表1 三維激光掃描儀性能參數設置

此次應用分析中，選取三維激光掃描儀的性能參數，嚴格按照該參數進行設置。固定點位，架設三維激光掃描儀，并對其進行對重整平處理，結合徠卡全站儀作用，重復測量建筑立面目標物，掃描靶球，不斷調節掃描水平與垂直角度。三維激光掃描系統的軟件均采用FARO Scene 軟件，對R 老舊小區改造建筑立面測繪點云數據進行配準與拼接處理。按照上述本文設計的測繪流程，對R 老舊小區建筑立面進行全面測繪。在R 老舊小區建筑立面上隨機布設6 組測繪點位，標號為01—06，控制各組點位之間的距離在20 m 及以上，點位01—06 的掃描距離逐漸變長。選取建筑立面測繪點位的測距誤差作為此次對比分析的評價指標。分別利用上述本文提出的測繪方法與傳統的測繪方法，獲取各組點位的三維測距誤差，并對比，繪制如圖4 所示的測繪點位三維測距誤差對比圖。

圖4 建筑測繪點位三維測距誤差對比

根據圖4 的測距誤差對比結果可以看出，在建筑立面測繪點位掃描距離逐漸變長的情況下，本文設計的建筑立面測繪方法在各組建筑立面測繪點位三維測距中，測距誤差明顯小于傳統方法，均不超過1.0 mm；而傳統方法的測距誤差較大，且隨著點位掃描距離增加，其測距誤差也隨之變大。由此不難看出，本文提出的基于三維激光掃描技術的測繪方法具有更高的可行性，測距誤差較小，測繪結果精度較高，滿足相應的老舊小區改造建筑立面測繪工程的精度要求，具有良好的測繪應用效果。

5 結論

建筑立面測繪能夠為老舊小區修繕改造提供有力的數據支持，在建筑行業領域發展中起到了重要作用。通過圖4 的對比結果可知，本文提出的建筑立面測繪方法誤差較小，建筑測繪點位三維測距誤差均不超過1.0 mm，測繪結果精度較高，符合建筑立面測繪精度的超高要求，有效地改善了傳統建筑立面測繪方法精度較低、測繪點位測距誤差較大的不足。