三維激光掃描儀在建筑物立面繪制中的應用研究

(江西理工大學，建筑與測繪工程學院 江西 贛州 341000)

前言

近年來，隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展，對外城市形象的展示以及城市公共環(huán)境品質(zhì)的提高逐漸被人們所重視。建筑立面是指建筑和建筑的外部空間直接接觸的界面，以及其展現(xiàn)出來的形象和構(gòu)成的方式，或稱建筑內(nèi)外空間界面處的構(gòu)件及其組合方式的統(tǒng)稱。建筑物立面包含豐富直觀的細節(jié)信息，是建筑物三維建模中不可或缺的組成部分。

建筑物的立面特征主要包括建筑物的輪廓特征、點特征。建筑物的輪廓特征主要有門窗、空調(diào)等。在圖像信息中，根據(jù)點可以構(gòu)成線和面，點特征是否定位準確，決定了是否可以有效的將建筑物立面信息正確的映射到最終的效果圖上，實現(xiàn)可視化顯示。本文探討一種利用地面三維激光掃描儀獲取建筑物立面點云，然后將其二維平面化，利用CAD繪制建筑物立面特征線，將其可視化。

一、三維激光掃描儀工作原理及技術優(yōu)勢

(一)工作原理。三維激光掃描儀是一個內(nèi)含掃描棱鏡的快速激光測距儀，不需要反射棱鏡即可精確測得掃描點的三維位置，而且掃描速度可達數(shù)萬點每秒。

通過儀器的激光反射器發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭的中心，并被旋轉(zhuǎn)式鏡頭反射，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，通過激光的位移數(shù)據(jù)被測量，從而反映出激光與物體之間的距離。最后用編碼器來測量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度，以獲得每一個點的x、y、z值。利用三維激光掃描系統(tǒng)能夠在幾分鐘內(nèi)獲取詳盡、高精度的三維立體影像數(shù)據(jù)建筑物立面可視化繪制。

(二)技術優(yōu)勢。1.地面三維激光掃描儀擺脫了傳統(tǒng)測量手段全站儀、水準儀等儀器所必備的棱鏡、標尺等輔助設備，其無需接觸目標區(qū)域，就可以進行全方位測量，提高了外業(yè)工作效率。2.地面三維激光掃描儀無需繪制草圖，只需進行外業(yè)掃描工作，在內(nèi)業(yè)進行對目標區(qū)域的取舍，然后完成繪制任務。3.利用激光進行掃描工作，因此可以進行全天候的工作任務，無論在雨天還是夜晚都可以進行作業(yè)。

二、建筑物立面的可視化

本文方法流程如圖1所示。其中建筑物立面點云平面化是關鍵，其精度關系后續(xù)建筑物立面特征線的繪制精度。

圖1 技術流程

(一)數(shù)據(jù)獲取和配準。在利用地面三維激光掃描儀獲取目標建筑物的立面信息，應根據(jù)所選擇的儀器本身的性能，確保所選擇的的測站能完全覆蓋測區(qū)范圍，尤其是高層建筑物的頂層；確保站站之間有一定的重疊度，以保障站與站之間的點云密度，方便內(nèi)業(yè)處理時的配準工作。

(二)數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)采集完成后，首先對數(shù)據(jù)進行去燥工作，去除不需要的點云數(shù)據(jù)(刪除如行人、植被等數(shù)據(jù))。接著需要將站與站之間的數(shù)據(jù)進行配準，先選擇同名特征點的配準方法進行粗配準，再采用ICP自動精配，提高配準精度。

(三)建筑物立面繪制。將配準以后的點云數(shù)據(jù)，進行平面投影，鎖定建筑物的一個平面進行繪制立面圖，旨在排除目標區(qū)域上其他點云的干擾。將投影后的目標區(qū)域點云直接導入AutoCAD中，對目標區(qū)域上的特征輪廓進行繪制。

三、實驗與分析

(一)項目概況。掃描區(qū)域是一棟高層住宅性建筑物，主要目的是對該建筑進行快速的側(cè)臉，從而快速得到該建筑物的立面圖，從而對比設計之初與建成之后的相比偏差，為后期修繕提供數(shù)據(jù)參照。

掃描區(qū)域基本情況有：①建筑物立面信息較多，且部分區(qū)域建筑被植被遮蔽；②掃描區(qū)域位于馬路邊，行人、車輛較多。

(二)立面圖繪制。利用本文的建筑物立面圖繪制方法，將獲取目標建筑物的點云數(shù)據(jù)如圖2(a)所示，導入到AutoCAD中進行繪制。由于在三維觀測模式下，點云數(shù)據(jù)量過大，進行立面圖繪制的時候，很難切準特征點、線，且繪制效率較低。因此將其導入到AutoCAD，然后鎖定平面進行繪制如圖2(b)所示，排除立體點云數(shù)據(jù)中非當前目標面上的點云數(shù)據(jù)的干擾，明顯提高了立面圖的繪制效率。圖3所示為該建筑物房屋正面立面圖。

圖2 (a)目標區(qū)域的點云

圖2 (b)目標區(qū)域的點云

圖3 該建筑物房屋正面立面圖

四、結(jié)論

本文立足于三維激光掃描技術的應用，簡單介紹了地面三維激光掃描儀的工作原理和特點，利用地面三維激光掃描儀的特點完成建筑物立面繪制項目。

相比傳統(tǒng)的立面測量采用皮尺、測距儀、全站儀等手段，本文基于三維激光掃描儀提出的作業(yè)方法在外業(yè)工作效率、數(shù)據(jù)精度方面均有較大的提升。