基于三維激光掃描的建筑立面測(cè)繪與三維模型構(gòu)建技術(shù)

摘" 要：該文以某樓房作為研究對(duì)象，探究基于三維激光掃描的建筑立面測(cè)繪與三維模型構(gòu)建技術(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)踏勘基礎(chǔ)上確定測(cè)站位置，在測(cè)站架設(shè)三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，依次采取點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等預(yù)處理措施，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后導(dǎo)入Geomagic Studio 2012軟件中構(gòu)建點(diǎn)云模型，經(jīng)過(guò)模型孔洞修補(bǔ)后檢測(cè)精度，點(diǎn)位精度誤差為0.003 m，滿足建模要求。將點(diǎn)云格式更改為las格式后輸入到AutoCAD軟件中繪制立面圖，并使用建筑立面圖和數(shù)碼照片得到目標(biāo)建筑物的三維實(shí)體模型，為建筑管理維護(hù)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;立面測(cè)繪;點(diǎn)云數(shù)據(jù);三維實(shí)體模型;建筑管理維護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P234.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0189-04

Abstract： This paper takes a building as the research object to explore the building facade surveying and three-dimensional model construction technology based on three-dimensional laser scanning. The location of the station is determined based on on-site reconnaissance. After setting up a three-dimensional laser scanner at the station to obtain point cloud data， pretreatment measures such as point cloud registration， point cloud noise removal， and data streamlining are taken in turn to improve the quality of point cloud data. The point cloud data was encapsulated and imported into Geomagic Studio 2012 software to build a point cloud model. After repairing the model holes， the detection accuracy showed that the point accuracy error was 0.003 m， which met the modeling requirements. Change the point cloud format to las format and input it into AutoCAD software to draw elevations， and use the building elevations and digital photos to obtain a three-dimensional solid model of the target building， thus providing a basis for building management and maintenance.

Keywords： 3D laser scanning; elevation surveying; point cloud data; 3D solid model; building management and maintenance

三維激光掃描是一種常用的非接觸測(cè)量技術(shù)，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、可直接生成三維空間成果等優(yōu)勢(shì)，在建筑物維護(hù)、地形圖測(cè)繪及機(jī)械交通、市政建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。將三維掃描技術(shù)應(yīng)用到建筑立面測(cè)繪與三維建模中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理，以及點(diǎn)云模型的構(gòu)建與優(yōu)化和建筑立面圖的繪制等都是必須要重點(diǎn)把控的技術(shù)要點(diǎn)，本文結(jié)合建筑實(shí)例對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)處理與立面圖繪制等展開(kāi)了分析。

1" 建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

1.1" 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

以某中學(xué)的行政樓作為研究對(duì)象，建筑前方為主干道，道路兩旁為綠化帶，樹(shù)木較多;建筑物整體呈“L”型，共4層，建筑高度12.5 m。建筑物表面有玻璃窗、空調(diào)外機(jī)等，表面結(jié)構(gòu)信息充足。首先使用全站儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解建筑物及其周邊區(qū)域的相關(guān)信息。在觀察測(cè)區(qū)環(huán)境的基礎(chǔ)上繪制現(xiàn)場(chǎng)草圖，掌握目標(biāo)建筑物的形狀以及周?chē)诒吻闆r，估算三維激光掃描中所需測(cè)站數(shù)量以及測(cè)站位置。結(jié)合數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片，確定建筑物表面的紋理特征。

1.2" 準(zhǔn)備工作

使用Riegl VZ-1000型三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，該儀器激光發(fā)射頻率可以達(dá)到30萬(wàn)點(diǎn)/s，最大掃描范圍可以達(dá)到1 400 m，每100 m掃描范圍內(nèi)的誤差控制在±5 mm以內(nèi)。內(nèi)置高精度單反數(shù)碼相機(jī)，在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)也能拍攝建筑物的高分辨率照片。該儀器支持線掃描（垂直掃描）和面掃描（水平掃描）2種工作模式，掃描參數(shù)見(jiàn)表1。

在準(zhǔn)備工作中，檢查三維激光掃描儀運(yùn)行工況是否正常，配套的三腳架、筆記本電腦等是否準(zhǔn)備齊全，保持電池為滿電狀態(tài)，避免因?yàn)殡姵貨](méi)電造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)丟失的情況。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘信息，進(jìn)一步確定測(cè)站的精確位置和具體數(shù)量。本項(xiàng)目中分別在目標(biāo)建筑物樓前主干道兩側(cè)以及側(cè)面設(shè)置了3個(gè)測(cè)站（A1～A3），測(cè)站與目標(biāo)建筑物之間的距離為25 m，具體布設(shè)情況如圖1所示。使用全站儀和GPS進(jìn)行控制測(cè)量，獲取3個(gè)測(cè)站在國(guó)家大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

1.3" 數(shù)據(jù)采集

在測(cè)點(diǎn)上架設(shè)儀器，啟動(dòng)筆記本電腦上的RiSCAN PRO軟件控制三維激光掃描儀開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。在軟件上設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，例如將掃描模式設(shè)置為“全景掃描”，將分辨率設(shè)定為“10 mm”，確定目標(biāo)建筑物的范圍和方位以后，再將分辨率調(diào)整為“2 mm”進(jìn)行精細(xì)掃描，獲取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。當(dāng)儀器完成一遍掃描后，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如果局部數(shù)據(jù)缺失或者明顯異常，需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性和可用性[1]。最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存到新建文件中，并按照順序開(kāi)始下一個(gè)測(cè)站的掃描工作，重復(fù)上述操作步驟直到3個(gè)測(cè)站的掃描任務(wù)全部結(jié)束。在采集數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于視場(chǎng)角限制，三維激光掃描儀在垂直方向上掃描時(shí)會(huì)存在一定的“盲區(qū)”，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整。因此相鄰2個(gè)測(cè)站之間需要有一定的重疊區(qū)域，方便后期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。本項(xiàng)目中將重疊區(qū)域設(shè)置為最大掃描區(qū)域的20%，配合數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片，可以提供更加完整的建筑物表面特征信息。

2" 建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

使用三維激光掃描儀獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，考慮到其中摻雜著一部分模糊、重復(fù)的冗余數(shù)據(jù)，因此需要通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理提高建模效率和保證建模精度。本項(xiàng)目使用Geomagic Studio 2012軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪、精簡(jiǎn)等一系列操作，處理流程如圖2所示。

2.1" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

在三維激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于產(chǎn)品精度、外界環(huán)境等因素的干擾，不可避免會(huì)出現(xiàn)誤差，點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)可以減小這種誤差進(jìn)而提高建模的準(zhǔn)確性。常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法有基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)、基于公共點(diǎn)的配準(zhǔn)等若干種，本項(xiàng)目中選用基于公共點(diǎn)的配準(zhǔn)方法，并結(jié)合數(shù)碼相機(jī)提供的影像信息完成點(diǎn)云的配準(zhǔn)。操作方法如下：?jiǎn)?dòng)Geomagic Studio 2012軟件，導(dǎo)入任意2個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇“手動(dòng)注冊(cè)”方式將2個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云視圖拖動(dòng)到一個(gè)視圖窗口中，使其處于相近位置后，從2個(gè)測(cè)站點(diǎn)云中選取3個(gè)帶有明顯標(biāo)識(shí)的公共點(diǎn)（如拐點(diǎn)），通過(guò)對(duì)齊公共點(diǎn)的方式完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初始拼接。拼接后檢測(cè)2個(gè)測(cè)站點(diǎn)云間的平均距離為0.008 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.019 m，符合初始配準(zhǔn)精度要求。

2.2" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)主要來(lái)源于2方面，其一是三維激光掃描儀自身產(chǎn)生的粗差點(diǎn)云;其二是建筑物周邊環(huán)境，如移動(dòng)的行人、雜亂的電線等。去除噪聲點(diǎn)對(duì)提高建模精度以及生成信息更加豐富、紋理更加清晰的建筑物立面圖有積極幫助。常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪方法有3種：對(duì)于可以觀察發(fā)現(xiàn)的較為明顯的噪聲點(diǎn)，手動(dòng)框選或者點(diǎn)選后將其刪除即可;對(duì)于樹(shù)木、空氣中的粉塵顆粒等，使用該軟件自帶的“采樣”功能，采集噪聲點(diǎn)后分離出去;對(duì)于其他密度不均、靠近建筑物的噪聲點(diǎn)，可通過(guò)軟件提供的“去噪”功能完成處理[2]。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪中，為了較為徹底地去除噪聲點(diǎn)需要反復(fù)進(jìn)行迭代，合理設(shè)置迭代次數(shù)是保證去噪效果的關(guān)鍵。如果迭代次數(shù)太少，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中仍然保留一些噪聲點(diǎn)，達(dá)不到提高建模精度的效果;如果迭代次數(shù)太多，耗費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)，影響建模效率。本項(xiàng)目中采用逐次增加的方式，探究了迭代1～4次的去噪效果，噪聲點(diǎn)剔除量以及偏差情況見(jiàn)表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，隨著迭代次數(shù)的增加，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中剔除的噪聲點(diǎn)數(shù)量越多，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與運(yùn)行時(shí)間也會(huì)同步增加。橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，前3次迭代的去噪效果較好，第4次迭代時(shí)剔除噪聲點(diǎn)僅減少了1 278個(gè)，比第3次迭代（2 932個(gè)）少了1 654個(gè)。因此，迭代次數(shù)為3次時(shí)綜合效果較好，在本項(xiàng)目的點(diǎn)云去噪中將迭代次數(shù)設(shè)定為3次。

2.3" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

目標(biāo)建筑物的建筑面積越大，掃描分辨率越高，獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就會(huì)越多，基于公共點(diǎn)的點(diǎn)云配準(zhǔn)雖然提高了數(shù)據(jù)的完整性，但是也會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，因此為了提高建模速度還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。Geomagic Studio 2012軟件提供了“統(tǒng)一采樣”功能，通過(guò)均勻抽稀的方式調(diào)整點(diǎn)云間的疏密程度，對(duì)于過(guò)于密集的點(diǎn)云隨機(jī)剔除一部分，并且重新調(diào)整間距保證點(diǎn)云疏密均勻，達(dá)到精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)的目的[3]。本項(xiàng)目中經(jīng)過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)、降噪2個(gè)處理步驟后，共有點(diǎn)云數(shù)量940萬(wàn)個(gè)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理后減少到370萬(wàn)個(gè)。

3" 目標(biāo)建筑三維模型的構(gòu)建

3.1" 建筑點(diǎn)云模型的構(gòu)建

對(duì)于完成配準(zhǔn)、去噪、精簡(jiǎn)等預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用 Geomagic Studio 2012軟件的“封裝”功能進(jìn)行封裝，并將原來(lái)的“點(diǎn)對(duì)象”轉(zhuǎn)換成“多邊形對(duì)象”，得到建筑物立面的拓?fù)溥B接。此時(shí)得到的建筑立面存在許多孔洞，這些孔洞的形成原因有多種，例如掃描時(shí)目標(biāo)物被樹(shù)木、行人遮擋造成局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)丟失，或者是目標(biāo)物表面材料有很強(qiáng)的吸光性導(dǎo)致激光產(chǎn)生散射無(wú)法獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)Geomagic Studio 2012軟件中的“填充孔”命令完成對(duì)模型孔洞的填補(bǔ)。對(duì)于不同面積、不同形狀的孔洞，修補(bǔ)方式也不盡相同。如果是面積較小、形狀比較規(guī)則的孔洞，可以從“填充孔”的子菜單中選擇“完整孔”，逐個(gè)完成單孔填充;如果是面積較大且形狀復(fù)雜的孔洞，首先通過(guò)“搭橋”處理填補(bǔ)邊角位置，得到一個(gè)形狀規(guī)則的孔洞后，再使用“完整孔”功能進(jìn)行修補(bǔ)。在孔洞修補(bǔ)完畢后，可以得到較為完整的建筑物點(diǎn)云模型。

在建立建筑點(diǎn)云模型后還要檢測(cè)模型精度。選擇相同的特征線，將實(shí)地測(cè)量結(jié)果與Geomagic Studio 2012軟件測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者之間的誤差判斷精度是否達(dá)標(biāo)。使用鋼尺實(shí)地測(cè)量特征線的長(zhǎng)度，為了消除誤差可以多次測(cè)量后計(jì)算平均值;使用Geomagic Studio 2012軟件自帶的“測(cè)距”功能獲得特征線的長(zhǎng)度。本項(xiàng)目中選取了一樓層高作為特征線，鋼尺測(cè)量結(jié)果為3.303 m，軟件測(cè)量結(jié)果為3.306 m，兩者的誤差為0.003 m，說(shuō)明使用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建的點(diǎn)云模型能夠精確地反映建筑物表面的三維信息[4]。

3.2" 生成建筑物立面圖

建筑物立面圖中展示了建筑外貌、外部結(jié)構(gòu)以及裝飾造型等信息。理論上來(lái)說(shuō)，使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，可以按照1∶1的比例直接繪制出建筑立面圖，并且能精確、全面地反映建筑表面的紋理特征。但是在實(shí)際操作中，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)多達(dá)幾百萬(wàn)個(gè)，繪圖軟件處理數(shù)據(jù)耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，為了提高工作效率需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，然后再由AutoCAD軟件分別繪制建筑物立面圖，最后再進(jìn)行拼接。建筑物立面圖的繪制流程如圖3所示。需要注意的是，點(diǎn)云數(shù)據(jù)為rcp格式，而AutoCAD不支持該格式，需要將rcp格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成las格式后再輸入到AutoCAD中。

3.3" 生成建筑物三維實(shí)體模型

三維實(shí)體模型具有“所見(jiàn)即所得”的效果，對(duì)建筑物的管理維護(hù)可以提供幫助，可以根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成三維模型，也可以根據(jù)建筑物立面圖反演出三維模型。為了更好地體現(xiàn)建筑物的結(jié)構(gòu)特征，保證模型盡可能還原真實(shí)建筑物，本文結(jié)合數(shù)碼相機(jī)拍攝所得照片，使用反演法構(gòu)建建筑物三維實(shí)體模型。具體流程如下：將轉(zhuǎn)換成las格式的點(diǎn)云輸入導(dǎo)入AutoCAD軟件中，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及數(shù)字圖片勾勒出建筑物的基本形狀，然后使用軟件中的“擠出”命令把二維平面轉(zhuǎn)化成三維實(shí)體模型。再使用“可編輯多邊形”命令對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行修整，然后判斷視圖與點(diǎn)云數(shù)據(jù)尺寸信息是否匹配[5]。如果不匹配，則重復(fù)上述步驟，直到信息完全匹配。利用軟件提供的“UV貼圖”功能，將UV坐標(biāo)（二維坐標(biāo)）映射到3D物體表面，展現(xiàn)模型表面的紋理特征，讓模型的紋理貼圖與真實(shí)建筑物的外觀樣貌相同。目標(biāo)建筑物三維實(shí)體模型的構(gòu)建流程如圖4所示。

4" 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)具有精度高、效率快、模型可視化等特點(diǎn)，在建筑工程的建設(shè)、維護(hù)、管理等方面發(fā)揮著重要作用。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，一方面要合理布置測(cè)點(diǎn)盡可能全面地獲取建筑表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，另一方面還要對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪等，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的利用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建點(diǎn)云模型，繪制目標(biāo)建筑物的立面圖與三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的數(shù)字化管理。

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作者簡(jiǎn)介：徐晶鑫（1991-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)闇y(cè)繪。