基于三維激光掃描技術的建筑物立面測繪及成果精度評定

龔良雄，趙興友，朱鋒博

(1.南昌市測繪勘察研究院，江西 南昌 330013； 2.武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079)

1 引 言

傳統(tǒng)建筑物立面測量方法主要依靠作業(yè)人員利用皮尺、測距儀等原始測量儀器，對測區(qū)范圍內(nèi)建筑物立面尺寸進行數(shù)據(jù)采集，測量方法存在以下幾方面的不足：①人工作業(yè)成本較大；②作業(yè)方式不靈活、效率低；③外業(yè)工作量大、耗時長，使得立面測量外業(yè)工作不能順利開展。

隨著科學技術的發(fā)展，三維激光掃描技術的出現(xiàn)使得人們可以對復雜的空間環(huán)境以及物體進行三維掃描，可以直接獲取各種復雜、不規(guī)則、大型、不可接觸的物體或者環(huán)境三維空間數(shù)據(jù)，進而快速地構建出目標物體的三維模型以及其他各種矢量制圖數(shù)據(jù)[1～3]，廣泛地應用于測繪、虛擬仿真、逆向工程等不同的領域。為此，本文探討了將地面三維激光掃描技術運用到建筑物立面測繪項目中，闡述了具體的作業(yè)流程，繪制了建筑物立面圖，同時對立面圖精度進行評定，結果表明：地面激光掃描立面測繪成果精度符合規(guī)范要求。

2 地面三維激光掃描立面測繪流程

如圖1所示，為地面三維激光掃描建筑物立面測繪流程技術流程。

技術流程主要分為三個階段：①數(shù)據(jù)采集準備階段；②數(shù)據(jù)采集、處理階段；③精度評定。數(shù)據(jù)采集準備階段的主要工作是實地踏勘、資料收集以及制定相應的工作技術方案。數(shù)據(jù)采集包括建筑物點云與影像數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理包括影像與點云配準，掃描站點間點云相互配準，然后利用全站儀采集適量的同名點數(shù)據(jù)，同名點選取需要考慮點位數(shù)量以及點位布設位置，盡量均勻分布整個測區(qū)。將相對坐標系變換到相應的城市獨立坐標系當中，最后進行立面圖繪制。精度評定階段主要對剛體變換后點云平面位置及高程精度進行評定，并以此判定立面測繪成果是否可靠、是否滿足規(guī)范要求。

圖1 地面三維激光掃描立面測繪流程技術流程

3 工程實踐與成果精度評定

受南昌市新建區(qū)城市投資發(fā)展有限公司委托，于2017年9月22日開始對南昌市新建區(qū)長征路(烏石橋-陸軍學院)提升改造工程建筑物立面測量工作，測區(qū)包括長征東路、長征西路以及與長征路所交叉部分道路，測區(qū)東西向全長約 4.539 km，寬約 33 m～39 m，建筑物立面測量主要對建筑物立面的窗戶、空調(diào)罩、真石漆、涂料、店招等進行測量，并繪制建筑物立面示意圖。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集之前應進行實地勘察、制定掃描方案、檢查儀器等工作，在地面激光掃描儀接通電源之后，按下儀器的開機鍵，在進入掃描屏幕之前儀器會自動進行預熱和自檢，之后用戶可以在掃描參數(shù)設置界面中設置掃描參數(shù)，設置參數(shù)之后，掃描儀自動采集點云和影像數(shù)據(jù)。對于遮擋或漏測建筑物，可采取針對性的補掃方式。在掃描儀采集數(shù)據(jù)的同時，利用全站儀極坐標法獲取建筑物同名點坐標，以便進行剛體變換，并采集適當數(shù)量的同名點，評定點云數(shù)據(jù)精度?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

3.2 點云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用儀器配套的JRC Reconstructor軟件，通過導入所采集的外業(yè)數(shù)據(jù)(*.zfs)，軟件可實現(xiàn)去噪、無標靶拼接、精拼接等一系列自動操作，點云配準采用迭代最近點算法(ICP)。配準后的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量較大程度上依賴于專業(yè)技術人員的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗和專業(yè)知識[4]，配準采用人機交互方式進行，粗配準利用軟件自動配準，作業(yè)人員根據(jù)配準結果，若配準精度較高，直接利用軟件配準結果，若配準精度達不到項目要求，選取適量的同名特征點以便重新配準。根據(jù)項目要求，配準誤差控制在 1 cm以內(nèi)即可滿足。長征路全長約為 4.6 km，點云數(shù)據(jù)量巨大，若全部點云進行配準耗時很長，因此將獲取的長征路點云數(shù)據(jù)分為三個標段分別進行點云數(shù)據(jù)配準，同時減小了配準誤差的累積。三個標段點云配準精度如表1所示。應委托方要求，還需將點云數(shù)據(jù)的掃描儀坐標系轉(zhuǎn)換為地理坐標系，因此還需將點云數(shù)據(jù)進行剛體變換，利用全站儀獲取的同名點數(shù)據(jù)，進行剛體變換，配準以及剛體變換后點云如圖3所示。

點云配準精度表 表1

圖3 點云局部效果圖

3.3 立面圖繪制

點云數(shù)據(jù)處理完成后，可進行立面圖的測制。本文采用二維模式下平面投影測制立面方法，大致原理是將點云模型通過相關軟件的投影功能進行平面投影處理，從而得到投影后的平面點云數(shù)據(jù)，然后在平面點云數(shù)據(jù)上繪制立面圖形。具體方法是利用配準及剛體變換后的整體染色點云，使用Recap 360軟件將原始染色點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為*.rcp格式，在AutoCAD 2014中通過設置相應的用戶坐標系(UCS)，進行線劃圖繪制并制定比例。建筑物立面效果圖對比如圖4所示。

圖4建筑物立面效果圖對比

3.4 精度評定

建筑物立面圖繪制之后，對建筑物立面測繪成果進行了精度評定。由于目前沒有相關規(guī)范規(guī)定立面測繪成果平面位置及高程精度，因此參考工程測量規(guī)范，點云平面精度及高程精度如表2所示。

點云中誤差 表2

注：此表來源于《工程測量規(guī)范》中5.1.5-3表

選取長征路均勻分布的9個檢查點評定點云數(shù)學精度，平面及高程精度分析表如表3所示。

計算如下：

點云平面及高程中誤差統(tǒng)計表 表3

平面位置中誤差為：

高程中誤差為：

由評定結果可知，點云平面位置及高程精度均滿足《工程測量規(guī)范》要求，證明了本項目建筑物立面測繪成果的可靠性。

4 結 語

本文結合地面三維激光掃描系統(tǒng)特點及優(yōu)勢，將其應用到建筑物立面測繪項目中，并闡述了點云數(shù)據(jù)處理流程及處理方法，繪制了建筑物立面圖，最后對立面測繪成果進行了精度評定，評定結果表明：本項目立面測繪成果符合有關規(guī)范要求。與傳統(tǒng)測量技術相比，地面三維激光掃描技術外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率很高，但其在數(shù)據(jù)處理方面流程較為煩瑣，并且應用成本較高。長征路建筑物立面測量項目共計79棟建筑物，外業(yè)采集時間僅用了 5 d，若采用傳統(tǒng)測圖技術，僅數(shù)據(jù)采集階段就耗時很長。

本文結合地面三維激光掃描技術特點及優(yōu)勢，將其應用到建筑物立面測繪項目中，對點云精度進行了精度評定，雖然數(shù)據(jù)精度方面滿足相關規(guī)范要求，但該技術手段應用于建筑物立面測繪仍在某些方面存在不足：①如數(shù)據(jù)采集過程中受其他地物遮擋影響較大；②點云數(shù)據(jù)量巨大并且數(shù)據(jù)處理方面效率不高；③數(shù)據(jù)采集過程中受建筑物層高影響較大，高層建筑物頂部細節(jié)不夠豐富；④建筑物立面特征提取自動化程度不高，主要依靠人工處理；⑤應用成本較高。但隨著地面三維激光掃描技術的不斷發(fā)展，這些不足將會得到一定程度上的改善。