三維激光掃描儀在建筑立面測繪中的應用研究

孫博 白樹海 華遠峰 鄭磊

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300051; 2.天津市寬達市政工程測繪有限公司，天津 300211)

近些年來，伴隨著我國社會經(jīng)濟的不斷壯大，社會發(fā)展的速度越來越快，一些原有的包括道路、橋梁、城市綠化在內(nèi)的城市基礎設施已經(jīng)不能充分滿足人們的應用需求，因此許多城市開始對交通、建筑立面更新以及城市家具等進行相關的綜合整治工作，一方面可以促進城市交通網(wǎng)發(fā)展，改善街區(qū)精致度;另一方面可以提升街區(qū)業(yè)態(tài)活性，豐富街區(qū)景觀，以更加充分彰顯城市發(fā)展的新面貌。但是在進行城市基礎設施改造時，待改造設施周圍已有建筑物的保護、歷史建筑與歷史街區(qū)等不需要進行改造的設施需要進行保護，因此將街道兩旁的建筑物以立面的形式整體、統(tǒng)一的表現(xiàn)出來成為施工前的一項重要的準備工作。因此在進行施工工作前，需要用測繪手段獲取建筑物的相關信息。目前應用較為廣泛的立面測繪的技術方法主要有人工量測法、全站儀法、三維激光掃描法、近景攝影測量法等。但傳統(tǒng)測繪方法會面臨工作量較大，精度較低等問題。如何能夠采用一種方法盡可能減少工作量的同時又能保證一定的精度是本文所要進行研究的內(nèi)容，因此，本文采用了三維激光掃描儀對建筑物立面測繪進行研究，以更好地適應建筑立面測繪的要求［1-4］。

1 三維激光建筑立面測繪技術

1.1 三維激光掃描儀工作原理

目前，較為廣泛應用于工程項目及科學研究的三維激光掃描儀的種類主要分為脈沖式三維激光掃描儀、相位差式三維激光掃描儀以及三角測距式三維激光掃描儀，其中，脈沖式的掃描儀應用的更為廣泛。脈沖式三維激光掃描儀的工作原理是基于激光測距的原理進行掃描的相關工作，通俗講就是利用掃描儀發(fā)射脈沖信號和接收激光信號返回的時間進行測距，利用激光脈沖在瞬時集中較大能量的特點掃描獲取待掃描建筑物表面大量的密集的點的相關信息，之后根據(jù)所獲得的掃描信息經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理后可以獲得建筑物的特征點、線、面，最終對被掃描物的整體信息進行整理后進行建筑物模型的建立。除此之外，在外業(yè)掃描過程中還會根據(jù)實際需要通過內(nèi)置或外置數(shù)碼相機獲取實體影像信息，從而記錄建筑物表面顏色信息，以備在后期進行數(shù)據(jù)處理時針對需要對掃描數(shù)據(jù)的點云進行像素加載，從而有助于繪圖時對特征點進行選取，可以進一步提高可視化效果。

1.2 三維激光掃描儀工作技術路線圖

在前面我們介紹了三維激光掃描儀的一些工作原理，那么針對于三維激光掃描儀的工作原理并結(jié)合項目要達到的目標成果，我們要制定掃描工作的整體流程。據(jù)此，我們制定了掃描工作的技術路線，總體技術路線如圖1所示。

2 立面測繪方法

根據(jù)所要測繪立面的建筑物實際情況以及現(xiàn)有的儀器設備(RIEGL VZ-1 000三維激光掃描儀)，本研究進行了相關的測量工作。具體方法介紹如下。

圖1 立面測繪技術流程圖

1)現(xiàn)場情況調(diào)查及測繪方案的制定。根據(jù)現(xiàn)場需要掃描的建筑物的整體情況，包括建筑物的大小、形狀、掃描區(qū)域的分布等確定儀器的架設位置，由于后期處理點云數(shù)據(jù)得到的建筑物立面掃描圖是根據(jù)同名像素點匹配進行拼接得到的，且對于立面測繪結(jié)果不需要確定其位置，因此并不需要進行架設點位置的測量，只需保證儀器能夠?qū)⒔ㄖ锪⒚孢M行完整的掃描。因此根據(jù)該項目所要掃描的建筑物的實際情況，確定儀器的架設點位。

2)對掃描數(shù)據(jù)進行配準。數(shù)據(jù)預處理和配準采用Riegl公司的軟件Riscan Pro。外業(yè)采集數(shù)據(jù)的工作完成后，需要進行內(nèi)業(yè)處理從而確定外業(yè)工作成果質(zhì)量。在數(shù)據(jù)完成與處理的工作后，則需要按照下列方法進行站站間的配準:理論上講，站間數(shù)據(jù)配準至少要選擇4個同名像素點對兩站的掃描的點云結(jié)果進行拼接，粗配結(jié)束，采用ICP自動精配，提高配準精度。

3)對拼接后的點云圖像進行去噪處理。由于我們在進行建筑物立面測繪的外業(yè)掃描工作時，待掃描建筑物很多情況下都不是獨立存在的，在使用三維激光掃描儀對建筑物立面掃描時，會將大量不需要的建筑物、綠化等基礎設施及車輛、行人等事物的點云一起掃描進來，這些非目標掃描物的點云集合統(tǒng)稱為噪點。由于本項目采用儀器直接采集，因此必須設定為360°全景掃描，所以掃描結(jié)果包含了建筑物周邊的全部物體，這些多余的掃描信息不但使文件占用了額外的存儲空間，在對文件進行處理時會降低效率，同時還對目標掃描物的結(jié)果信息的提取造成了嚴重影響，所以需要對點云進行去噪，即對點云數(shù)據(jù)進行處理時要刪除掉建筑物周邊的其他地物。

4)真彩色模式顯示。在對點云數(shù)據(jù)進行拼接和去噪處理后，對點云數(shù)據(jù)進行真彩色像素信息加載，對點云數(shù)據(jù)進行真彩色像素信息加載主要是為了進行建筑物立面繪圖時，在提取特征點時可以更加清晰的找到對應的特征點，提高內(nèi)業(yè)的工作效率。

5)建筑物立面圖的繪制。繪圖人員在電腦內(nèi)選擇立體觀測模式，對于較為容易分辨，特征比較明顯的點進行選取，而后進行三維量測，然后在獲得相關特征點及特征線的相關特性后，在AutoCAD中完成內(nèi)業(yè)成圖工作，得到最終的建筑物立面圖。

6)外業(yè)調(diào)繪、修補測。對于缺失較少或掃描質(zhì)量不高的小部分平面，可以采用盒尺等傳統(tǒng)的測量工具進行補測，對于缺失較多部分的，應當采用激光掃描儀對缺失部分進行掃描。在完成外業(yè)補測工作后，再對缺失部分進行內(nèi)業(yè)成圖。

3 工程應用

2018年6月，我單位承擔了某市樣板街工程項目。該項目需要在對道路兩旁的建筑進行系統(tǒng)梳理的基礎上，按相應風格對部分建筑進行立面改造。結(jié)合本項目天山海世界建筑(圖2是天山海世界部分外觀圖)的三維模型建立過程、立面圖繪制過程以及最終得到的成果對三維激光掃描技術在建筑立面測繪中的應用進行研究分析。

圖2 天山海世界現(xiàn)場示意圖

圖3 天山海世界局部點云配準效果圖

1)根據(jù)現(xiàn)場需要掃描的建筑物的整體情況，包括建筑物的大小、形狀、掃描區(qū)域的分布等確定儀器的架設位置。由于天山海世界建筑不規(guī)則且建筑面積較大，為了得到完整的掃描圖像，圍繞天山海世界共架設了11站，對天山海世界進行精細掃描。2)數(shù)據(jù)采集完后，需把數(shù)據(jù)導入到電腦中對數(shù)據(jù)進行拼接和去噪處理。進行數(shù)據(jù)的配準與去噪之后，部分拼接配準后的點云數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖上可以看出，本次掃描點云拼接、配準效果較好，點云密度足夠，能夠很好的呈現(xiàn)出天山海世界的建筑細節(jié)。3)點云數(shù)據(jù)濾波、去噪、拼接、配準后，對點云數(shù)據(jù)進行真彩色賦色，以便更好的分辨建筑立面的細節(jié)，建筑真彩色顯示如圖4所示。然后利用Riscan軟件以立體觀測模式進行三維量測，對一些特征性較為明顯、位置較為容易分辨的點進行選取，之后量取這些具有明顯特征的點的三維距離，然后在AutoCAD中進行繪圖，得到最終的建筑物立面圖，局部建筑平面圖、立面效果如圖5，圖6所示。

圖4 天山海世界點云真彩色效果圖

圖5 天山海世界平面結(jié)構(gòu)圖

圖6 天山海世界局部建筑立面圖

4 結(jié)語

針對于建筑物立面測繪的相關工作，免棱鏡全站儀法也可以在一定程度上提高外業(yè)效率，但是雖然相比于傳統(tǒng)測繪方法，免棱鏡全站儀法可以提高效率，但是免棱鏡全站儀方法的外業(yè)工作量依然較大，且針對于特征不明顯的點位不能保證進行有效的識別。而三維激光掃描儀法與免棱鏡全站儀法相比可以進一步縮短外業(yè)工作時間，且在處理內(nèi)業(yè)時由于可以看到建筑物的整體形狀及變化趨勢，而并非是一個一個的點，這樣可以針對外業(yè)測量成果更加準確、有參考的進行繪圖，可以進一步提高可視化效果和工作效率。