基于三維激光掃描的建筑立面測繪關(guān)鍵技術(shù)

呂寶雄

(中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)05—0030—03

基于三維激光掃描的建筑立面測繪關(guān)鍵技術(shù)

呂寶雄

(中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

以海南省樂東黎族自治縣舊城改造立面測繪項目為依托，提出了基于三維激光掃描的立面測繪作業(yè)流程，較全面地總結(jié)了該技術(shù)在建筑立面空間數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和立面繪制方面的關(guān)鍵技術(shù)，其可提高建筑立面測繪效率和精度。

三維激光掃描；點云數(shù)據(jù)；建筑物測繪；立面圖

0 前 言

隨著數(shù)字城市建筑水平的提高和城市化進程的推進，城市的舊城改造因建筑年久失修及設(shè)計圖紙缺失，用測繪手段逆向獲取建筑立面圖紙，通過有選擇性地對城市環(huán)境的內(nèi)部功能、建筑、空間等進行必要的調(diào)整和改變,可有效避免大拆大建，注重保護歷史建筑與歷史街區(qū)、留存城市文化、延續(xù)城市底蘊,達到引導(dǎo)城市發(fā)展、提升城市活力、改善城市形象的目的[1]。

伴隨海南打造國際旅游島的推進，著力培育特色旅游城鎮(zhèn)，具有“小三亞”之稱的樂東黎族自治縣舊城改造工程予以實施，中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司承擔(dān)了城市建筑立面圖測繪工作。將三維激光掃描技術(shù)引入建筑立面測繪領(lǐng)域彌補了傳統(tǒng)測繪手段費時、費力、采點稀疏等諸多不足，改變了已有的數(shù)據(jù)采集方式，面式數(shù)據(jù)采集替代傳統(tǒng)的點式數(shù)據(jù)采集[2]是測量技術(shù)發(fā)展史上的一次巨大變革。依托該工程，摸索總結(jié)了建筑立面測與繪的作業(yè)流程和關(guān)鍵技術(shù)，高效真實地取得了高精度建筑立面圖。

1 建筑立面測量技術(shù)特征與路線

1.1 建筑立面測量技術(shù)特征

(1) 測量內(nèi)容復(fù)雜精細(xì)。精確反映建筑物外貌特征的數(shù)據(jù)點，尤其是細(xì)部結(jié)構(gòu)如門窗花紋、浮雕、檐口構(gòu)造、陽臺欄桿和墻面復(fù)雜的裝修等。

(2) 測量與繪圖精度要求高、技術(shù)難度大。建筑立面圖比例尺1∶100，對于具有歷史底蘊的建筑細(xì)部精度1∶50，遠高于常規(guī)測量。由于三維激光掃描測量中建筑物表面“點云厚度”與棱角邊緣“飛點”的存在，在提取的點云數(shù)據(jù)繪制建筑立面圖時，容易導(dǎo)致難以正確的捕捉到實際點，提取與繪制的結(jié)構(gòu)線不唯一而造成誤差。

(3) 測量工期緊。該項目為政府形象性工程，工期緊迫。測繪技術(shù)人員需在較短作業(yè)周期內(nèi)超負(fù)荷工作，以保證工程工期。

(4) 城市測量干擾因素多。城市建筑多以高層群樓為主，高層樓體受本身結(jié)構(gòu)凸凹、外緣景觀樹木遮擋，以及樓宇間距狹窄、繁華商業(yè)街區(qū)人與車流量大，以上因素造成通視條件差，掃描站點布設(shè)受限，人員和設(shè)備作業(yè)危險，關(guān)鍵點數(shù)據(jù)獲取困難等。在外業(yè)作業(yè)時，選擇多視角、大傾角側(cè)斜設(shè)站及避開上、下班高峰期，尤其在商業(yè)繁華地段選擇夜間作業(yè)，減少掃描數(shù)據(jù)的噪點數(shù)據(jù)，保證作業(yè)人員和設(shè)備安全。

1.2 技術(shù)路線

本文依托該工程生產(chǎn)實踐，提出了基于三維激光掃描技術(shù)的建筑立面測繪作業(yè)流程，總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 三維激光掃描建筑立面測繪技術(shù)工作流程圖

2 數(shù)據(jù)獲取測量技術(shù)

應(yīng)用三維激光掃描對建筑物測量首先進行觀測控制網(wǎng)的布設(shè)[3]，其次確定掃描站點以獲取點云數(shù)據(jù)。

2.1 控制網(wǎng)布設(shè)技術(shù)

為滿足高精度的建筑立面測繪必須首先建立必要的掃描測量控制網(wǎng)，控制網(wǎng)的預(yù)設(shè)精度要高于建筑立面圖繪制的精度要求?？刂凭W(wǎng)布設(shè)原則：

(1) 控制網(wǎng)布設(shè)根據(jù)需要一般分2級布網(wǎng)，首級控制網(wǎng)應(yīng)通盤考慮街區(qū)布局現(xiàn)狀，網(wǎng)形以三角形或大地四邊形建立；次級網(wǎng)在首級網(wǎng)的基礎(chǔ)上考慮建筑物的復(fù)雜度，便于掃描儀架設(shè)位加密獲取建筑物外觀特征數(shù)據(jù)。

(2) 首級控制網(wǎng)中各相鄰控制點之間通視要求良好，至少有2個通視方向。

(3) 在盡量保證網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強度的前提下，控制點應(yīng)因地制宜地選擇在地面穩(wěn)定、便于保存和易于聯(lián)測、拓展的地方。

2.2 掃描測量技術(shù)

掃描測量是獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。布設(shè)的基本方案為：

(1) 單幢低層簡單建筑樓體(沿街單面，樓長不超過20 m)基本按2站設(shè)置，將樓體4等分，在1/4、3/4處各設(shè)1站；連排低層具有一定弧度的建筑物，可根據(jù)建筑物水平投影在拐點處加測設(shè)站。

(2) 復(fù)雜凸凹高層建筑體可根據(jù)建筑物細(xì)節(jié)特征進行局部高、低站及傾斜加密架設(shè)，以保證短時間、高密度、完整獲取建筑物外觀特征的點云為佳。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，主要考慮掃描精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量和掃描效率，掃描關(guān)鍵在于：

(1) 采樣間隔。采樣間隔的設(shè)置值取決于建筑立面繪圖精度。采樣間隔的大小，是反映建筑物細(xì)節(jié)輪廓真實度的主要指標(biāo)，也是反映掃描速度快慢的關(guān)鍵。采樣間隔小，掃描速度慢，點云數(shù)據(jù)稠、密度高。一般對小于1∶100的立面圖，其采樣間隔可取8 mm@50 m。

(2) 多次或精細(xì)掃描。采用具有多回波技術(shù)的掃描儀按一定采樣間隔進行2～3次重復(fù)掃描，達到點云加密的效果?；?qū)δ骋惶囟?xì)部按較小的采樣間隔進行高密度掃描，獲取高清晰度的點云數(shù)據(jù)。

(3) 近距離垂直掃描。盡量要求在掃描最佳半徑50 m以內(nèi)(難度較大的，可適當(dāng)放寬)架設(shè)掃描儀，并保證激光垂直入射被測樓體立面，避免傾斜或大傾角掃描，保證在掃描位置處得到最小的激光光斑，減小“點云厚度”和減少測量“飛點”。

3 數(shù)據(jù)后處理的技術(shù)關(guān)鍵

基于三維激光掃描的建筑立面數(shù)據(jù)后處理關(guān)鍵為點云配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)去噪。

3.1 多視點云配準(zhǔn)

常用的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法有：共軛面轉(zhuǎn)換法；標(biāo)靶法；曲面匹配法。

根據(jù)配準(zhǔn)特點，本文將共軛面轉(zhuǎn)換法和曲面匹配法進行綜合優(yōu)化，各取所優(yōu)，提出一種基于平面和曲面平滑配準(zhǔn)方法，使其在處理速度和精度方面達到最優(yōu)化。

將掃描站點重疊區(qū)域的海量點云數(shù)據(jù)按樓體直立面和地面劃分成2類，分別按采樣最小間距對2類形狀進行構(gòu)TIN建立真實模型，去除模型中的異常點，進行模型組合匹配，多次迭代計算調(diào)整，可達到理想效果。

根據(jù)此方法，該工程點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后，按其誤差統(tǒng)計繪制的柱狀見圖2。

圖2 點云配準(zhǔn)誤差分布柱狀圖

從圖2可以看出，點云配準(zhǔn)誤差呈正態(tài)分布狀，計算的點云配準(zhǔn)中誤差6 mm，表明本次點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度高，完全能夠滿足立面測繪精度要求。

3.2 數(shù)據(jù)去噪

從激光采樣點數(shù)據(jù)中去除噪點、植被等與建筑立面元素?zé)o關(guān)的數(shù)據(jù)，保留建筑物外觀結(jié)構(gòu)特征線目標(biāo)點。

TerraSolid是機載Lidar數(shù)據(jù)處理軟件，基于MicroStation平臺開發(fā)。根據(jù)激光采點特性，將其引入地面三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理中，在其Terrascan模塊下進行建筑自動分類宏程序設(shè)計，程序主要語句

如下：

FnScanClassifyGround(1,2,1,60.0,88.00,6.00,1.40,-1,5.0,0,2.0,0) 分類地表點

FnScanClassifyModelKey(2,8,15.00,0.10,0.05,0) 分類地表關(guān)鍵點

FnScanClassifyBuilding(2,5,6,40.0,0.20,0,0) 分類建筑物點

程序的目的是提高建筑物點自動分類準(zhǔn)確率，減少手工分類工作量，提高點云數(shù)據(jù)處理效率。

4 建筑立面圖繪制

以樂東縣某大樓為例，總結(jié)建筑立面圖繪制步驟。

在選擇制作立面圖平臺時，采用與計算機輔助設(shè)計平臺(AutoCAD)兼容較好、在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的Microsation繪圖平臺。

立面圖繪制作業(yè)步驟：導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)→建立輔助坐標(biāo)系→線化描繪→投影轉(zhuǎn)換→修飾標(biāo)注。

為保證立面圖繪制的精度，在進行繪制時應(yīng)注意如下關(guān)鍵點：

(1) 立面圖應(yīng)按正投影繪制[4]。建筑立面點云導(dǎo)入屏幕中，初始顯示為物方位，投影到屏幕存在投影畸變，必須將繪制面建立輔助坐標(biāo)系予以糾正，使繪制面俯視投影線與計算機屏幕平行，然后在投影方向下繪制可見的建筑外輪廓線、墻面線腳、構(gòu)配件等特征線。

(2) 平面形狀曲折、圓形或多邊形建筑物，按其彎曲實際長度拉直分段繪制，但均應(yīng)在圖名后加注“展開”二字。

圖3 樂東縣某大樓影像、點云及繪制的立面圖圖3是基于三維激光立面測繪的基礎(chǔ)上完成的建筑立面效果圖。

5 結(jié) 語

將三維激光掃描技術(shù)引入建筑立面測繪領(lǐng)域彌補了傳統(tǒng)測繪手段費時、費力、采點稀疏等諸多不足，改變了已有的數(shù)據(jù)采集方式。該技術(shù)在建筑測繪領(lǐng)域中的工程實踐，摸索總結(jié)了建筑立面測繪的作業(yè)流程，對其關(guān)鍵技術(shù)進行了深度研究，所采取的關(guān)鍵技術(shù)有效可靠，對提高建筑立面測繪精度和工作效率效果顯著，使建筑立面真實重現(xiàn)，其對建筑立面測繪具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

[1] 萬昕平,羅楊,符名引.基于全站儀的古建筑立面圖測繪及數(shù)據(jù)處理[J].城市建設(shè)理論研究,2012,(20):1-6.

[2] 余明,丁辰,過靜珺.激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測繪的研究[J].測繪科學(xué),2004,(10):69-70.

[3] 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測量方法研究[J].城市勘測,2011,(2):87-90.

[4] GB50104-2010,建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

Key Technology of Surveying and Mapping of Building Elevations Based on 3D Laser Scanning

LYU Bao-xiong

(POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

With the case of the elevation surveying and mapping of the urban building renovation of Ledong Li Nationality Autonomous County, Hainan Province, the operation procedures of the elevation surveying and mapping by 3D laser scanning are proposed. The procedures fully describe the key technology of data capturing, processing and mapping of the building elevation spaces. This technology can improve surveying and mapping efficiency and precision of the building elevations. Key words:3D laser scanning; point cloud data; building surveying and mapping; elevation

2014-12-04

呂寶雄(1981- ),男,甘肅省會寧市人,工程師，主要從事三維激光掃描技術(shù)工作.

P283.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.008