何流

摘要：隨著我國城市化進程的加快，建筑外立面測繪工作逐漸增多，傳統(tǒng)的測繪技術已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代建筑立面測繪的相關要求。三維激光掃描測量技術的出現(xiàn)和發(fā)展，克服了傳統(tǒng)建筑立面測量的局限性，它能對建筑物進行無接觸、快速、高精度掃描，同時將獲得的點云信息快速轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)據(jù)的高效測量方式，因此成為建筑立面測繪的新方法。結合工程項目重點分析建筑立面測繪的相關問題，討論三維激光掃描儀的應用效果。

關鍵詞：三維激光掃描儀；建筑立面；測繪應用

一、前言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，原有城市基礎設施已經(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。在改造城市基礎設施時，如果周邊原有歷史街區(qū)、建筑，則要保護無需改造的設施，表現(xiàn)出街區(qū)建筑立面的統(tǒng)一性、整體性。在開展施工之前，以測繪方式獲取建筑信息，如全站儀法、人工測量法、近景攝影測量法、三維激光掃描法[1]。由于傳統(tǒng)測繪方式面臨較多的工程量時很難保證測繪精度，所以要研究工程量少、精度高的測繪方法，即三維激光掃描技術，從而有效地適應建筑立面的測繪要求[2]。

二、三維激光掃描技術

（一）技術原理

在科研、工程項目領域，三維激光掃描儀應用非常多，包括相位差式、脈沖式、三角測距式，其中應用最廣泛的是脈沖式。該掃描儀的工作原理是遵循激光測距原理掃描，掃描儀負責發(fā)射、接收激光信號，測量返回時間的距離，以激光脈沖獲取建筑密集點的信息，內(nèi)業(yè)處理掃描信息后獲取建筑的特征點，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，按照實際要求配置數(shù)碼相機，獲取實體影像信息，詳細記錄建筑顏色信息。在處理后期數(shù)據(jù)時，加載掃描數(shù)據(jù)的點云像素，選取特征點繪制圖像，加強可視化效果[3]。

（二）技術優(yōu)勢

三維激光掃描儀屬于非接觸測量系統(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。相比普通測量法，三維激光掃描法的工作點位精度高，且點位密度大，能夠提升數(shù)據(jù)信息、坐標點參數(shù)的掃描速率。三維激光掃描技術能夠?qū)崿F(xiàn)主動式光源，即使在無光照條件下也可以實現(xiàn)觀測，所以逐漸應用到隧道內(nèi)部、建筑內(nèi)部的掃描工作中。三維激光掃描設備能夠同步接收反射激光、可見光條件，掃描處理光照強度、物體色彩，從而形成三維坐標體系，獲得三維影像信息[4]。

（三）技術路線圖

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

三、三維激光掃描作業(yè)流程

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

（一）采集數(shù)據(jù)

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

第二，架站選擇、掃描。掃描儀架設地點，應當與人群、車輛保持安全距離，選擇堅硬地面，鄰近站要具備通視條件，且包含30%的公共區(qū)域。當區(qū)域遮擋嚴重時，則要增加測站的數(shù)量，保證數(shù)據(jù)采集的完整性。同時要控制架站密度，以免數(shù)據(jù)采集、處理的工作量增加。掃描操作中，保證點云密度設置的合理性，減少點云過疏問題，以免影響建筑特征點的精度。同時控制點云過密問題，以免增加點云數(shù)據(jù)量、內(nèi)業(yè)處理時間。在掃描操作中要使用不同等級，參考項目要求、掃描對象復雜度，采用中密度掃描模式。

第三，繪制草圖。掃描操作中，通過視覺慣導系統(tǒng)，實時追蹤掃描儀的位置，通過計算機自動拼接。當掃描鄰近點無重疊區(qū)時，則掃描儀不能自動拼接。繪制草圖是在地形圖上記錄掃描路線、測站編號，幫助內(nèi)業(yè)完成點云拼接。

（二）數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描結束后，內(nèi)業(yè)將測站點云導入軟件內(nèi)，處理拼接之后，可以形成完整的點云。

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

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

第三，點云去噪。是一種優(yōu)化點云的過程，對于掃描儀裝置的原始點云，涉及干擾點、錯誤點，因此噪聲來源比較多，當物體表面比較光滑，采用鏡面反射方式，可能會出現(xiàn)大量錯誤點。在溫度、強光、雨霧的環(huán)境影響下，傳感器捕捉到錯誤信息。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，采用軟件算法進行計算，以“Terrasolid”、人機交互法開展點云濾波處理。應用軟件內(nèi)的“Fence”框選工具，選擇要刪除的點云。如果處于復雜場景，則采用“Limit Box”工具約束范圍，之后刪除點云。

第四，點云抽稀。根據(jù)工程的精度要求，抽稀處理原始點云，緩解數(shù)據(jù)存儲、處理壓力。應用三維激光掃描儀，短期獲取大量點云數(shù)據(jù)，對計算機運算效率、速度的影響大，在確保里面細部精確度的同時，要做好點云數(shù)據(jù)抽稀處理[6]。

（三）高程誤差改正模型

高程點位精度，對三維激光掃描技術的監(jiān)測效果影響非常大，因此要對點位高程精度提出嚴格要求。按照建筑工程測量規(guī)范可知，點位高程位移平均速率控制值為每日2mm，分析掃描結果可知，如果點位高程沒有經(jīng)過改正處理，則很難達到標準要求，因此要嘎正高程點位誤差。分析系統(tǒng)點位精度、高程誤差方差、貢獻率可知，測距對高程誤差的影響較大，高程誤差、測距的相關性較強，因此要選擇基線比較模型法，對高程誤差進行排查，才可以獲得準確的數(shù)據(jù)結果。

（四）繪制立面圖

第一，建筑立面編號。繪制立面圖前，應當做好編號處理，將方位索引編號標記到立面。如果一個立面的折面比較多，則要添加數(shù)字編號。命名圖名時，要參考測區(qū)名稱—建筑編號—方位索引號的格式。

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

四、工程案例

（一）案例一

1.工程實況

A建筑立面測繪項目是城區(qū)改造項目，繪制建筑立面結構，建立三維模型，為建筑立面治理提供參考。項目所在區(qū)域的道路長度為3.36km，路面寬度小，分布低矮建筑。沿線樹木高大，遮擋問題嚴重，交通運行量大。

2.工作流程

三維激光掃描建筑立面開展時，劃分為前期準備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)成果實現(xiàn)。在前期準備環(huán)節(jié)，要收集好項目范圍內(nèi)的資料，明確項目背景、項目需求、技術重難點，聯(lián)合現(xiàn)場踏勘，優(yōu)化配置測繪人員，設置技術路線，編制詳細的測繪方案。外業(yè)數(shù)據(jù)掃描時，明確測站位置、掃描參數(shù)，通過三維激光掃描儀掃描目標、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，通過點云處理軟件開展查看、拼接、降噪、抽稀處理。數(shù)據(jù)成果實現(xiàn)則采用點云漫游、立面繪制切片、三維建模實現(xiàn)，繪制完整的建筑立面圖。

3.關鍵技術要點

第一，前期準備環(huán)節(jié)。三維激光掃描建筑立面要確定項目工作流程、設站位置、掃描儀性能。在前期準備工作中，要深入現(xiàn)場踏勘，選擇適宜的掃描儀設備。采用前期踏勘方式可以發(fā)現(xiàn)測量區(qū)的人流量多集中在上下班高峰，且樹木高大，建筑低矮。按照區(qū)域的實際情況，選擇掃描儀時要考慮高精度、遠測程、便于操作的特點，如HS450三維激光掃描儀測距精度為8mm@100m、最大測距450m，全景分辨率高于7000萬像素，測量頻率為每秒50萬點。選擇10：00—15：00為測量時間范圍，站間距離為30m。如果區(qū)域的測量難度大，則結合三維激光掃描法、傳統(tǒng)測量法。

第二，外業(yè)數(shù)據(jù)采集。在采集外業(yè)點云數(shù)據(jù)時，對三維建模質(zhì)量的影響非常大，人流量對噪點形成的影響大。在外業(yè)測量中，不僅要采取錯峰手段，還要應用彈性測量機制，人為控制數(shù)據(jù)采集，縮短掃描儀、建筑物的間距，增加測站數(shù)量。在數(shù)據(jù)處理中，點云數(shù)據(jù)拼接為操作難點，確保前后測站間的重疊度達到30%，同時關注不同測站間的公共平面。在本次項目中，選擇不同激光點頻率設置，開展對比實驗法，從而將點頻率確定為100kHz。設置分辨率參數(shù)，能夠決定掃描數(shù)據(jù)量、掃描時長。

第三，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。點云拼接處理是將站點掃描數(shù)據(jù)配置到坐標系內(nèi)，屬于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的關鍵步驟，拼接精度對成果質(zhì)量的影響大。此次項目中，使用軟件的鄰迭代配準算法，按照前后順序自動拼接點云，針對掃描角度、光照、環(huán)境影響下無法實現(xiàn)自動拼接的點云，則要在軟件內(nèi)識別鄰近站點的標靶紙?zhí)卣鼽c，從而實現(xiàn)手動拼接，之后檢查拼接誤差，確保拼接誤差小于2cm。本次項目中采用軟件自帶的點云自動過濾功能，實現(xiàn)點云降噪處理。針對人、車影，如果不能自動去除時，則要以點云度變形選擇器圈定噪聲點云，之后再手動刪除。精簡、分割點云時，要使用軟件自帶功能處理，導出DXF.格式點云文件，采用CAD軟件繪制立面圖。

第四，分析掃描精度。為了對三維激光掃描儀的應用效果進行驗證，分析建筑立面測繪的精確度，使用全站儀設備測量建筑立面、拐角坐標、門窗部位等，對比測量數(shù)據(jù)、掃描數(shù)據(jù)，如表1所示?；跀?shù)據(jù)結果，無需考慮全站儀測量的精度誤差，確保建筑測繪數(shù)據(jù)、全站儀測繪誤差小于10mm。測繪工作精度應當滿足建筑測繪的設計要求。在此基礎上，量測同一特征線的測繪點，對比測繪結果、鋼尺量測結果，并將其作為本文點位的測繪精度，如表2所示。

通過上述結果可知，測繪誤差值最小為1mm，最大為8mm，各項測繪誤差控制在10mm內(nèi)，所以本文設計方法的精度較高。

（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、門面的無序狀態(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，對臨街建筑立面進行普測，為改造設計提供參考。

2.實施概要

A路全長為1.8km，建筑立面測繪面積為9.8萬平米。建筑立面圖涉及建筑立面全要素，比如空調(diào)外機、落水管、水表電箱、墻面等。提取立面特征點，參考建筑制圖的標準，繪制建筑立面輪廓，保證建筑形狀、附屬結構、空間關系表達的準確性。繪制立面圖后，要使用CDA軟件查詢對象面積，此時就要應用到對象數(shù)形窗口，針對性選擇圖層信息，統(tǒng)計要素的數(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、要素表達的完整性，同時確保立面圖要素繪制、點云數(shù)據(jù)的相符度。只有保證搭接關系、空間表達的正確性，才可以保證圖面整潔度、立面圖提交格式達標。為了檢驗測繪精確，測量人員要使用傳統(tǒng)測量法，先在測量區(qū)選擇18條邊，對比建筑提取的特征線，結果如表3所示。分析表內(nèi)數(shù)據(jù)可知，邊長較差分布在1～3cm，邊長中誤差大約為3cm，精度滿足規(guī)范要求。

4.注意事項

第一，建筑立面測量操作時，要控制三維激光掃描儀、建筑立面的距離，外業(yè)掃描時，以中低密度點模式為主，但不能選擇高密度點模式，避免延長外業(yè)掃描時間、點云數(shù)據(jù)處理時間，導致點云數(shù)據(jù)容量擴大。

第二，建筑立面圖繪制時，曲面繪制難度大，針對立面點云進行垂直切片處理，同時沿著點云的橫截面繪制曲線，檢查曲線數(shù)形、長度。繪制立面圖后，標注出相關尺寸。

第三，在掃描目標建筑時，鄰近建筑、樹木會產(chǎn)生比較強的遮擋作用，致使目標建筑的點云數(shù)不完整，內(nèi)業(yè)無法獲得準確的建筑結構尺寸。根據(jù)露明部分的尺寸，逐步推算隱蔽尺寸，特別要說明推算結果。

五、結語

綜上所述，在測繪建筑物立面時，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，如果點位特征不明顯，則很難準確識別，不但需要測繪人員花費大量的時間與精力，而且獲取的測繪結果精準度不足。而三維激光掃描儀屬于新的測繪方法，能夠縮短外業(yè)操作的時間，且內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中能夠直觀看到建筑形狀、變化趨勢，可以保證外業(yè)測量結果的準確度，之后繪制準確的圖像可以實現(xiàn)可視化的作業(yè)效果，最大限度地提升測繪效率與質(zhì)量。本文采用具體案例分析法，論述三維激光掃描的技術要點，之后分析掃描精度，驗證了三維激光掃描儀的應用效果，可以保證建筑立面測繪的準確度，為后期施工提供參考信息。

參考文獻

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