三維激光掃描和全站儀結(jié)合的建筑物立面測量方法研究與工程實(shí)踐

曾攀立，劉傳逢，李翅，童欣，王龍馳，夏寅

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

城市快節(jié)奏發(fā)展，智慧城市的建設(shè)已到來。隨著智慧城市概念的提出，城市三維模型的構(gòu)造、獲取建筑物立面信息顯得愈發(fā)重要，尤其是在研究建筑物日照時(shí)間、古建筑的保護(hù)、建筑物美化和擴(kuò)建、異形建筑物的核實(shí)面積測量、大型土木工程、立體量測、變形監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。

傳統(tǒng)建筑物立面測量方法是利用全站儀獲取建筑物的三維點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合卷尺及測距儀量取建筑物的細(xì)部尺寸，繪制測量略圖，然后將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，在測繪軟件中展點(diǎn)繪圖，依照外業(yè)現(xiàn)場繪制的草圖構(gòu)建建筑物平立面圖。這種方法原理簡單，但是工作量大，需要投入大量工作人員，消耗時(shí)間長，效率低下，且越是復(fù)雜異性的建筑物精度越低[2～6]。而三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸主動(dòng)測量全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，通過高速激光掃描測量方法，以點(diǎn)云的方式獲取建筑物表面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量方法的局限性、高效快速、簡單精確、實(shí)時(shí)主動(dòng)、信息豐富，但是三維掃描技術(shù)有效測量距離有限，容易受到周邊環(huán)境的影響，在掃描的時(shí)候，容易把周圍的樹、電線、花壇、車輛、行人等附屬物體一起掃描，摻雜在點(diǎn)云數(shù)據(jù)里面，影響數(shù)據(jù)精度[7]。為此，本文綜合利用兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了三維激光掃描和全站儀結(jié)合的建筑物立面測量方法，以三維激光掃描技術(shù)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，全站儀免棱鏡測距技術(shù)所測得的數(shù)據(jù)即可以作為缺失部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，也可以作為部分建筑物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的核實(shí)，實(shí)現(xiàn)建筑物立面測量。

2 建筑物立面測量方法

2.1 測量方法

三維激光掃描技術(shù)用來獲取建筑物整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理使用與硬件配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 9.1，建筑物平立面圖的繪制及面積計(jì)算使用AutoCAD軟件。整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理過程包括點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)系歸一化、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云合并、點(diǎn)云切割及平立面圖繪制等幾個(gè)流程。當(dāng)被測物周圍有過多的雜物，如與鄰棟建筑間隔太近、門窗被樹木遮擋、墻體周圍有花壇等綠化、建筑物上方有較多電線穿過、鬧市街區(qū)行人較多等因素會(huì)直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確度和完整性。為此可采用全站儀免棱鏡測距技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在適當(dāng)位置設(shè)站，測量局部位置的三維坐標(biāo)，通過全站儀測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換成二維坐標(biāo)投影到立面圖上，實(shí)現(xiàn)建筑物立面測量。其作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用全站儀免棱鏡測距技術(shù)進(jìn)行立面測量一般測量的是三維坐標(biāo)，史經(jīng)[8]等提出了一種全站儀編碼法實(shí)現(xiàn)建筑物立面測量，該方法通過一定的編碼規(guī)則，將采集的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為距離和高程組成的二維坐標(biāo)，再通過自動(dòng)展點(diǎn)程序直觀地顯示正射投影的立面圖。但該方法需要在外業(yè)測量架設(shè)全站儀時(shí)事先確定立面基點(diǎn)和方向點(diǎn)，且必須嚴(yán)格按照編碼規(guī)則在測量每一特征點(diǎn)時(shí)根據(jù)該特征點(diǎn)是在立面基點(diǎn)的右側(cè)還是左側(cè)來確定編碼中該點(diǎn)的正負(fù)號(hào)。本文提出了一種無須在外業(yè)測量時(shí)確定立面基點(diǎn)和方向點(diǎn)的全站儀測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。該方法可以在內(nèi)業(yè)測量數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行，且立面基點(diǎn)和方向點(diǎn)的確定可以在數(shù)據(jù)處理過程中多次選擇不同的組合，最終選擇誤差最小的一對(duì)。另外，該方法無須額外制定編碼規(guī)則，降低了數(shù)據(jù)采集人員的操作成本。

如圖2所示，O-XYZ為絕對(duì)坐標(biāo)系。在某一建筑立面上，分別在立面左右兩端選取兩個(gè)測量特征點(diǎn)A和B。根據(jù)測量繪圖時(shí)自左向右的習(xí)慣，可以將A點(diǎn)叫作立面基點(diǎn)，B點(diǎn)叫作立面方向點(diǎn)。根據(jù)立體幾何原理可知，通過A、B兩點(diǎn)可以唯一確定一個(gè)垂直于平面YOZ平面的面W。立面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的目的就是將所有該立面的測量特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)投影到W垂面上，也即W面為立面投影面。為了降低計(jì)算誤差，A、B兩點(diǎn)的間距應(yīng)當(dāng)盡可能大些。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

分別作A、B兩點(diǎn)在YOZ平面平面上的投影點(diǎn)A′、B′。由A′、B′可以確定一條直線，設(shè)直線方程為：

Ax+By+C=0

(1)

設(shè)P(xp，yp，zp)點(diǎn)為建筑立面上的某一已知測量點(diǎn)，P′(xp′，yp′，zp)為P點(diǎn)在YOZ平面上的投影點(diǎn)。過P′點(diǎn)作直線A′B′的垂線，交A′B′于點(diǎn)P″。根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式可得P′P″的長度為：

(2)

又因?yàn)橥队爸驪′點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)與P點(diǎn)相等，所以

(3)

根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式可得P′點(diǎn)到A′點(diǎn)的距離為：

(4)

根據(jù)勾股定理可得：

(5)

由圖1可以看出，P點(diǎn)高程測量值h=zp，P″在直角坐標(biāo)系XAY中的坐標(biāo)值為(XP″，YP″)，XP″=zp，YP″=A′P″，通過P′A在豎向投影線X的左右兩側(cè)來判斷P′A值的正負(fù)，左為“-”，右為“+”。

3 工程實(shí)踐及分析

以武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司(東湖綠道二期驛站及公共廁所改造)現(xiàn)狀建筑平立剖復(fù)原測量項(xiàng)目為例，本文采用三維激光掃描和全站儀結(jié)合的建筑物立面測量方法進(jìn)行建筑物立面測量。整項(xiàng)工作分為內(nèi)業(yè)外業(yè)兩部分：外業(yè)作業(yè)方法采用三維激光掃描儀及全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集；內(nèi)業(yè)配合Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、裁切、量測等操作，使用C#語言編寫“立面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”程序，處理三維坐標(biāo)，最后采用CAD編繪成圖。

3.1 外業(yè)測量

現(xiàn)場踏勘時(shí)，拍攝照片，記錄周邊環(huán)境，提前設(shè)計(jì)最佳掃描路線、選取設(shè)站和標(biāo)靶位置。三維掃描采用徠卡Nova MS60全站掃描儀，該方法的優(yōu)點(diǎn)是掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無須手動(dòng)拼接。掃描步驟大致分為儀器安置、儀器參數(shù)設(shè)置、開始掃描、換站掃描等幾個(gè)過程。對(duì)某建筑物外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作耗時(shí) 1.5 h，共架設(shè)8站，獲取到包括測區(qū)全部區(qū)域在內(nèi)的73萬個(gè)三維點(diǎn)。

由于測區(qū)客觀因素復(fù)雜，樹木、電線、沙堆等干擾遮擋嚴(yán)重，或者建筑物表面材料對(duì)激光的反射和吸收，導(dǎo)致建筑物表面的一些地物特征不明顯，點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失或者不精確，三維模型圖甚至有些能明顯看出是不完整的，因此還需要全站儀測量來作為輔助。使用徠卡TM50全站儀的免棱鏡測量功能獲取缺失部分的三維坐標(biāo)，精度完全符合本次測量工作要求。免棱鏡測量技術(shù)不需要工作人員手持棱鏡，選點(diǎn)靈活，特別是可以在建筑物特征點(diǎn)多、比較隱蔽，三維激光掃描儀無法測量的位置進(jìn)行工作，如門窗、屋面凸凹線，樓梯、欄桿以及被遮擋嚴(yán)重的要素等。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理過程包括點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)系歸一化、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云合并、點(diǎn)云切割及平立面圖繪制等幾個(gè)流程。軟件的自動(dòng)拼接報(bào)告中，拼站的精度都在mm級(jí)別，能夠滿足整體測區(qū)拼站后的精度要求。同時(shí)，軟件可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面裁切，方便地物特征性的提取。如圖3所示為徠卡MS60三維掃描儀掃描得到的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 某建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)

全站儀測量的三維坐標(biāo)點(diǎn)，無法直接進(jìn)行展繪，需要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使每個(gè)立面測點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)獨(dú)立，程序需要實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成二維坐標(biāo)的功能。本文采用C#語言編寫了自動(dòng)處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的工具，如圖4所示。該工具操作簡單，快速高效，只需將存儲(chǔ)了三維坐標(biāo)的文本文件導(dǎo)入到工具中，即可一鍵實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。圖5為將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)在CAD中展點(diǎn)連線得到的局部立面圖。

結(jié)合以上兩種方法最終得到的建筑物四個(gè)立面圖如圖6所示。

圖4 立面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程

圖6 立面圖成果

以多站點(diǎn)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在3ds Max軟件中，遵循點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)特征規(guī)律，先在某一明顯特征點(diǎn)建立XY、YZ或者XZ方向的參考面，參照上述得到的建筑物立面圖，構(gòu)建建筑物的三維基礎(chǔ)模型，如圖7所示。

圖7 建筑物三維模型

4 結(jié)論與展望

實(shí)踐表明：本文提出的三維激光掃描和全站儀結(jié)合的建筑物立面測量方法，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測繪手段和新興測繪手段各自的不足，三維激光掃描技術(shù)主要用于獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)、建筑物平面、立面、剖面測量和三維模型重建，它測量精度高、采集速度快，結(jié)合全站儀免棱鏡測距技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整區(qū)域的三維坐標(biāo)，利用C#語言編寫了實(shí)用工具實(shí)現(xiàn)了本文提出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在CAD中展點(diǎn)連線繪制出建筑立面圖。全站儀測量方法彌補(bǔ)了不完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)造成的數(shù)據(jù)缺失問題，同時(shí)也可以作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確性的一種檢驗(yàn)。