三維激光掃描在建筑測繪中的應(yīng)用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.046

摘" 要：三維激光掃描技術(shù)是利用激光對物體進(jìn)行掃描，通過快速獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對物體的三維信息表達(dá)。與傳統(tǒng)的測量方法相比，該技術(shù)具有高效率、高精度、高靈活性和高可重復(fù)性等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于建筑測繪領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已成為一種成熟的測量技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、公路建設(shè)、工程測量和地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。為提高建筑測繪工作的效率和質(zhì)量，基于三維激光掃描技術(shù)，該文對其在建筑測繪中的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討，以期為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；建筑繪制；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；掃描距離；測繪

中圖分類號(hào)：TU198 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0185-04

Abstract： Three-dimensional （3D） laser scanning technology is to use laser to scan objects and quickly obtain a large number of point cloud data to realize the expression of three-dimensional information of objects. Compared with the traditional measurement methods， this technology has the characteristics of high efficiency， high precision， high flexibility and high repeatability， so it is widely used in the field of architectural surveying and mapping. With the continuous development of technology， three-dimensional laser scanning technology has become a mature measurement technology， which is widely used in urban construction， highway construction， engineering survey， geographic information system and other fields. In order to improve the efficiency and quality of building surveying and mapping， based on three-dimensional laser scanning technology， this paper analyzes and discusses its application in architectural surveying and mapping， in order to provide reference for related work.

Keywords： 3D laser scanning; architectural drawing; point cloud data; scanning distance; surveying and mapping

傳統(tǒng)的建筑測繪技術(shù)主要是通過人工測量，其特點(diǎn)是對建筑物表面進(jìn)行平面測量，并且受天氣和環(huán)境等因素影響較大。對于大型復(fù)雜建筑，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)需要花費(fèi)較長時(shí)間才能完成，無法滿足現(xiàn)代建筑測量工作的需求。三維激光掃描技術(shù)利用激光對建筑物表面進(jìn)行掃描，能夠快速獲取大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對建筑物表面空間數(shù)據(jù)的提取和分析，實(shí)現(xiàn)對建筑物的三維信息表達(dá)。隨著建筑測繪工作的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，建筑測繪技術(shù)也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，三維激光三面技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對建筑物表面三維空間數(shù)據(jù)的快速獲取，對建筑物的整體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這對于建筑物的設(shè)計(jì)、施工、改造等具有重要的意義。

1" 三維激光掃描技術(shù)

1.1" 工作原理

三維激光掃描技術(shù)是一種以激光為主要探測工具的空間信息獲取技術(shù)，其工作原理是通過光學(xué)棱鏡將激光束反射到一個(gè)激光發(fā)射器上，再通過接收器，將反射的激光束直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中[1]。通過計(jì)算機(jī)軟件的處理和分析，可以獲得物體的三維坐標(biāo)信息，從而達(dá)到建筑測繪的目的。由于激光光束具有極高的空間分辨率，因此可以對物體進(jìn)行精確的三維重建，得到物體的高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖1所示。在進(jìn)行建筑測繪時(shí)可以利用三維激光掃描技術(shù)獲取大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對建筑測繪中目標(biāo)物體的精確建模。

在實(shí)際工作掃描過程中，首先要將設(shè)備架設(shè)在地面上，通過光學(xué)棱鏡將激光束反射到激光發(fā)射器上，從而產(chǎn)生一個(gè)激光束，如圖2所示。然后根據(jù)設(shè)備的掃描運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對物體的定位。通過對激光發(fā)射位置和方向進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)對不同形狀物體的快速掃描。然后利用全站儀實(shí)時(shí)采集每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，并將其轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維重建處理。通過對大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，可以獲得物體的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)信息。因此，該技術(shù)不僅可以應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸、房地產(chǎn)管理等領(lǐng)域，而且在建筑測繪領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

三維激光掃描技術(shù)主要包括激光掃描儀、攝影測量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)方面。從工程應(yīng)用角度來看，三維激光掃描技術(shù)主要分為2大類：一是激光掃描儀類。該技術(shù)主要通過激光掃描設(shè)備對建筑物表面進(jìn)行掃描，然后提取建筑物表面信息。目前應(yīng)用較為廣泛的是三維激光掃描儀，該設(shè)備可以通過手持式、固定式、車載式等多種方式進(jìn)行掃描。在進(jìn)行建筑物表面掃描時(shí)，需要考慮到各種因素對采集數(shù)據(jù)的影響，例如天氣、光照、人員等因素，這就需要加強(qiáng)對掃描儀內(nèi)設(shè)置參數(shù)的優(yōu)化。二是攝影測量類。攝影測量類主要包括無人機(jī)航空攝影測量和航空攝影測量2種方式，其中無人機(jī)航空攝影測量方法主要是通過無人機(jī)搭載多角度相機(jī)對建筑物進(jìn)行掃描和獲取數(shù)據(jù)；航空攝影測量方法則主要是通過飛機(jī)對建筑物表面進(jìn)行拍攝和獲取數(shù)據(jù)[2]。

1.2" 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.2.1" 高效性

三維激光掃描技術(shù)的核心是基于數(shù)據(jù)的三維信息，可以快速獲取物體的三維信息，因此具有快速性。此外，該技術(shù)可以通過精確的測量計(jì)算物體的尺寸和形狀。與傳統(tǒng)測量方法相比，其可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和分析。在傳統(tǒng)的建筑測繪中，需要多次重復(fù)測量，并且需要人力物力和時(shí)間進(jìn)行人工測量，這將導(dǎo)致工程成本和時(shí)間成本增加。然而，三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和分析，從而避免了應(yīng)用大量的人力物力。同時(shí)，其速度快、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)和節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)也為建筑測繪提供了更多的便利條件。

1.2.2" 準(zhǔn)確性

三維激光掃描技術(shù)具有很高的精度和準(zhǔn)確性，因此能夠有效解決傳統(tǒng)測量方法中存在的缺陷問題。首先，數(shù)據(jù)采集時(shí)只需要進(jìn)行1次測量即可獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其次，由于三維激光掃描技術(shù)可以獲得精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對物體三維形狀和尺寸的精確測量和分析。例如，在測量過程中，如果選擇使用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行測量，由于儀器誤差、環(huán)境等因素存在一定的影響，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大。此外，三維激光掃描技術(shù)在使用過程中可以避免人為操作誤差的影響。

1.2.3" 靈活性和可操作性

傳統(tǒng)測量方法通常采用全站儀和測距儀進(jìn)行測量作業(yè)。雖然三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，但其測量范圍有限。對于建筑測繪工作來說，測繪范圍通常在幾十米到幾千米之間，因此需要在工作范圍內(nèi)進(jìn)行多次測量和重復(fù)作業(yè)。因此，傳統(tǒng)方法具有一定的局限性。此外，對于建筑測繪工作來說，其復(fù)雜性很大程度上限制了發(fā)展和應(yīng)用。例如：建筑測繪工作中所用的儀器設(shè)備相對較大，昂貴且操作難度較大。此外，在建筑測繪工作中通常需要進(jìn)行多次重復(fù)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作等。

2" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和處理

2.1" 掃描精度影響分析

在使用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描時(shí)，為了確保掃描數(shù)據(jù)的精度，應(yīng)通過多種手段來提高數(shù)據(jù)精度。在實(shí)際應(yīng)用中，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1.1" 掃描距離精度分析

通常，在建筑測繪中，三維激光掃描技術(shù)的掃描距離通常小于100 m，掃描儀的測距精度見表1。如果掃描距離過遠(yuǎn)，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度降低，甚至?xí)霈F(xiàn)一定的誤差。因此，在建筑測繪中，應(yīng)嚴(yán)格控制掃描距離，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的設(shè)備類型和掃描距離。例如，在進(jìn)行城市建筑測繪時(shí)，采用高分辨率的激光掃描儀。由于城市建筑面積較大，地形相對復(fù)雜，因此在掃描時(shí)應(yīng)注意測量的精度。

2.1.2" 不同測量材質(zhì)的精度分析

在城建筑建模過程中，常見的材質(zhì)有水泥、金屬、木板及紙板等，這些材質(zhì)的特性各不相同，具有不同的密度，這些特性會(huì)直接影響到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，見表2[3]。為確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，應(yīng)根據(jù)被測物體的特性選擇合適的精度指標(biāo)。在測量過程中，可以采用高分辨率設(shè)備和小尺寸激光掃描儀進(jìn)行測量。在進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，應(yīng)選擇高分辨率激光掃描儀進(jìn)行掃描。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和物體特性選擇合適的精度指標(biāo)，從而有效提高數(shù)據(jù)精度。

2.1.3" 水平角精度分析

水平角精度是指垂直于掃描平面的角度，也稱為測量精度。在建筑測繪中，水平角精度主要包括2個(gè)方面：一是測量設(shè)備本身的精度，即設(shè)備的水平位置和角度之間的偏差；二是測量人員的水平誤差，即在掃描過程中由于設(shè)備自身質(zhì)量或操作人員水平差異等原因造成的測量誤差[4]。由于建筑物本身是不規(guī)則的，因此其表面可能存在較多的凹凸不平，并且在實(shí)際工作中，由于各種因素導(dǎo)致的測量誤差往往很難避免。因此，在進(jìn)行建筑測繪時(shí)，必須通過反復(fù)測量和對比分析來確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，同時(shí)要避免由于設(shè)備自身質(zhì)量問題引起的誤差。

2.2" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

在對建筑物進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以將建筑物劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中的不同建筑物可以單獨(dú)采集。通過這種方式，可以快速地完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集工作，提高了工作效率。為提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，應(yīng)加強(qiáng)對三維激光掃描設(shè)備的控制，確保掃描設(shè)備的有效運(yùn)行。在對建筑物進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)選擇合理的采樣間隔。在進(jìn)行建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①在對建筑物進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)充分考慮到建筑物的結(jié)構(gòu)特征和使用功能，確保建筑測繪數(shù)據(jù)能夠滿足實(shí)際需要；②在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，首先要對采集點(diǎn)的分布情況進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果確定掃描參數(shù)的設(shè)置。在數(shù)據(jù)采集過程中要盡量保證點(diǎn)云的完整性；③在進(jìn)行掃描前要對控制點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲饕菫榱吮苊恻c(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏移或丟失[5]。在進(jìn)行控制點(diǎn)設(shè)置時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的點(diǎn)位，然后根據(jù)點(diǎn)位在控制點(diǎn)上的位置設(shè)置相應(yīng)的基準(zhǔn)站，并對基準(zhǔn)站進(jìn)行精確測量。

為保證數(shù)據(jù)采集結(jié)果更加精確，可以將地面控制點(diǎn)布設(shè)在目標(biāo)物附近，并根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，應(yīng)選擇合適的坐標(biāo)系和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)和建筑材料等特點(diǎn)確定測量對象，然后根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)選擇合適的坐標(biāo)系和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。在掃描時(shí)，要結(jié)合實(shí)際情況確定激光照射角度和照射時(shí)間。當(dāng)掃描距離較長時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)措施避免激光照射到其他物體上。此外，為保證測量精度，還應(yīng)嚴(yán)格控制激光束和目標(biāo)物體之間的距離[6]。

2.3" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。為了獲得高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中，要應(yīng)用大量的軟件。首先，利用軟件中的“點(diǎn)云預(yù)處理”功能對掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、濾波、精簡和分類等。其次，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，要充分利用CAD軟件，通過對CAD中的點(diǎn)云進(jìn)行處理和編輯，最終得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程中，要根據(jù)不同的任務(wù)類型，選擇合適的軟件進(jìn)行處理。例如，如果需要提取建筑物表面上的單個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)，則可以使用CAD軟件對原始點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)提取；如果需要提取建筑物上每個(gè)點(diǎn)的三維信息，則可以使用CAD軟件進(jìn)行自動(dòng)提取。最后，在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，需要對建筑物進(jìn)行3D建模。3D模型可以使用三維CAD軟件進(jìn)行編輯和創(chuàng)建。在建模過程中，應(yīng)根據(jù)不同建筑類型進(jìn)行不同建模方法的選擇。

3" 模型的構(gòu)建

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物建模，其流程可以概括為：①采集建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的2D（或3D）平面數(shù)據(jù)；②對建筑物進(jìn)行網(wǎng)格化處理；③確定建筑物的基本特征和造型；④利用各種軟件構(gòu)建建筑物的三維模型[7]。在三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建建筑物模型時(shí)，必須根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)，選擇合適的建模方法和建模流程，確保模型精度和精確度。

3.1" 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建

在利用三維激光掃描技術(shù)對建筑物進(jìn)行建模時(shí)，首先需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、簡化、濾波等。然后根據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立數(shù)字高程模型，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定建筑物的高度、形狀、尺寸，以及建筑物的結(jié)構(gòu)特征。接下來需要利用三維建模軟件對建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。例如，在建模過程中，可以先建立建筑物的整體模型，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部建模。此時(shí)，需要先建立建筑物的框架模型，然后再建立地面和屋頂?shù)哪Ｐ汀Ｔ诖诉^程中，可以結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)和實(shí)際需要確定模型構(gòu)建方案。此外，還需要將建筑物與周邊環(huán)境進(jìn)行協(xié)調(diào)。

3.2" 建筑物立面圖的生成

在進(jìn)行三維激光掃描數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不均勻性，可能會(huì)造成某些點(diǎn)或面無法表示，不能直接生成立面圖。這時(shí)可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行處理。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行三維建模，主要是采用CAD的建模方法，這種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對建筑物的三維造型和各種功能的設(shè)計(jì)，而且也能保證模型的精度。建筑立面圖是建筑物建模的重要內(nèi)容之一，包括：立面坐標(biāo)系、立面圖框、立面標(biāo)記線等。在繪制立面圖框時(shí)，需要根據(jù)不同的要求采用不同的方法和技巧。在繪制立面坐標(biāo)系時(shí)，可以采用各種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式；在繪制立面標(biāo)記線時(shí)，可以采用各種投影公式。

3.3" 建筑三維實(shí)體模型的生成

建筑三維實(shí)體模型的構(gòu)建是通過對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模來實(shí)現(xiàn)的。常用的方法有：①點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拓?fù)渲亟āＭㄟ^點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拓?fù)渲亟ǎ梢孕纬扇S實(shí)體模型，例如利用3 dsmax或 project軟件進(jìn)行建模。②利用表面重建法。用點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接重建物體表面，然后利用模型編輯軟件進(jìn)行幾何建模，如3 dsmax或 project等。③利用規(guī)則或非規(guī)則幾何圖形的快速建模方法。主要有基于規(guī)則的建模方法和基于非規(guī)則幾何圖形的建模方法[8]。例如，用3 dsmax進(jìn)行建模時(shí)，可采用參數(shù)化建模的方式進(jìn)行處理，以避免大量重復(fù)勞動(dòng)。

4" 結(jié)束語

在建筑測繪過程中，使用三維激光掃描技術(shù)不僅可以提高測繪工作的效率和質(zhì)量，還可以有效避免傳統(tǒng)測量方式所存在的問題。因此，在實(shí)際建筑測繪過程中，需要將三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量技術(shù)有效結(jié)合，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。另外，還需要加強(qiáng)對三維激光掃描技術(shù)的研究和探索，不斷優(yōu)化和完善三維激光掃描技術(shù)，為建筑測繪工作提供有效的技術(shù)支持。同時(shí)，需要加強(qiáng)對該技術(shù)的宣傳和推廣，讓更多的人了解該技術(shù)，為其應(yīng)用創(chuàng)造良好條件。

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作者簡介：趙睿（1990-），男，助理工程師。研究方向?yàn)楣こ虦y量。