基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法

曹君 呂麗平

摘? 要：2019年10月，第七屆世界軍人運(yùn)動會即將在武漢舉行。為展示城市魅力，武漢市正在進(jìn)行建筑物立面整治工作。本文結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，探索建立了一套建筑物立面信息采集與數(shù)據(jù)處理方法，該方法可以有效地解決傳統(tǒng)全站儀測量方法中存在的作業(yè)復(fù)雜、項目工期長的問題，實現(xiàn)了立面整治數(shù)據(jù)的快速采集、處理與成圖。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;立面信息獲取;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：P234.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）21-0159-03

Abstract：In October 2019，the 7th CISM Military World Games will be held in Wuhan. In order to show the charm of the city，Wuhan is carrying out the renovation of building facades. Combined with 3D laser scanning technology，this paper explores and establishes a set of building facade information collection and data processing method. This method can effectively solve the problems of complex operation and long project duration existing in the traditional total station measurement method，and realize the rapid collection，processing and mapping of facade renovation data.

Keywords：3D laser scanning;elevation information acquisition;data acquisition

0? 引? 言

要看一座城市美不美，建筑是其中重要的一環(huán)。而建筑的外立面，可謂是城市的封面，封面是否吸引人，很大程度上決定了人們打開這幅城市書卷的興趣。2019年10月，第七屆世界軍人運(yùn)動會即將在武漢舉行，為了向來自世界各地的選手展示武漢這座城市的魅力，武漢市正在進(jìn)行城市環(huán)境綜合整治提升工作，建筑立面整治是其中的重要組成部分。

通過一定的技術(shù)手段獲取立面數(shù)據(jù)、統(tǒng)計工作量是立面整治工作的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)測量方法由于效率低、工期長，無法滿足快速成圖、統(tǒng)計成果的需求，快速獲取建筑物立面數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得建筑物各立面圖，成為影響建筑物立面整治工作效率的關(guān)鍵因素之一。

為解決這一問題，本文對當(dāng)前測量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一——三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了探索，并總結(jié)了一套建筑物立面信息采集與數(shù)據(jù)處理方法，并結(jié)合天河機(jī)場及其附屬建筑物立面測量的實際項目進(jìn)行了實踐，結(jié)果表明基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法速度快、精度高，能夠滿足立面整治工作快速高精度采集、處理、成圖的需求。

1? 三維激光掃描技術(shù)簡介

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測繪技術(shù)，它能夠快速高效地獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，并建立三維模型，又被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”。它利用激光測距的原理，記錄被測物體表面大量密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)測量手段相比，三維激光掃描技術(shù)具有如下優(yōu)勢：（1）非接觸測量。三維激光掃描技術(shù)采取非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，無需架設(shè)棱鏡，不需要對掃描目標(biāo)物體進(jìn)行任何表面處理，物體表面的三維數(shù)據(jù)被直接采集，數(shù)據(jù)真實可靠，可以用于獲取危險目標(biāo)信息，以及人員無法到達(dá)的地方的數(shù)據(jù);（2）數(shù)據(jù)采樣率高。目前，三維激光掃描儀采樣速率最大可達(dá)到百萬點(diǎn)/秒，這是傳統(tǒng)單點(diǎn)采集的測量方式難以比擬的;（3）全天候作業(yè)。三維激光掃描技術(shù)采用主動發(fā)射掃描光源，通過探測采集主動發(fā)射的激光回波信號來獲取目標(biāo)物體表面的數(shù)據(jù)信息，因此掃描的過程受環(huán)境和時間的影響小，可全天候作業(yè)，有效工作時間長、工作效率高;（4）高分辨率、高精度。三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云分辨率高，單點(diǎn)精度可達(dá)2mm;（5）可與數(shù)碼相機(jī)、GPS系統(tǒng)配合使用，信息獲取更全面、準(zhǔn)確。數(shù)碼相機(jī)的使用增強(qiáng)了目標(biāo)紋理和色彩信息的采集能力，使掃描獲取的目標(biāo)信息更全面豐富。GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用則進(jìn)一步提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2? 基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法

基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法一般分為如下幾個步驟：（1）現(xiàn)場踏勘與數(shù)據(jù)采集;（2）點(diǎn)云拼接;（3）噪聲剔除與點(diǎn)云分割;（4）格式轉(zhuǎn)換與導(dǎo)出;（5）立面繪制;（6）面積統(tǒng)計;（7）圖形整飾與輸出。本文以Leica P30三維激光掃描儀、Cyclone 三維點(diǎn)云處理軟件和AutoCAD制圖軟件為例，對基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法詳細(xì)描述如下。

2.1? 現(xiàn)場踏勘與數(shù)據(jù)采集

對測區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，并結(jié)合實際情況選擇測站點(diǎn)。一般而言，為保證后期數(shù)據(jù)處理工作的順利進(jìn)行，在數(shù)據(jù)采集過程中需要遵循如下原則：（1）采集目標(biāo)位于激光掃描儀掃描范圍以內(nèi);（2）相鄰兩側(cè)站間掃描點(diǎn)云需有明顯重疊;（3）需實時繪制測站點(diǎn)布設(shè)草圖，并拍攝現(xiàn)場照片。

2.2? 點(diǎn)云拼接

受視線遮擋和掃描儀自身掃描距離限制等因素的影響，往往需要布設(shè)多個測站，才能獲得測區(qū)范圍內(nèi)建筑物的各個立面數(shù)據(jù)，為獲得建筑物整體布局等信息，需要對各測站所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，其技術(shù)流程如下：（1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入：在Cyclone軟件中新建數(shù)據(jù)庫，并導(dǎo)入外業(yè)原始觀測數(shù)據(jù);（2）點(diǎn)云拼接：在Cyclone軟件中通過點(diǎn)云拼接功能，對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移操作，實現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的兩兩對齊，并進(jìn)行拼接和誤差檢查，重復(fù)上述過程，直至同一個區(qū)域內(nèi)各建筑物所有點(diǎn)云拼接完成。

2.3? 噪聲剔除與點(diǎn)云分割

點(diǎn)云拼接完成后，各區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往可達(dá)百億級，為提高數(shù)據(jù)處理效率，需要剔除各區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的無用點(diǎn)云，并進(jìn)行點(diǎn)云分割，獲得簡潔直觀的建筑物平面圖及各立面圖信息，具體技術(shù)流程如下：（1）數(shù)據(jù)剔除：對已拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放，切換到合適的視角，刪除無用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如道路、樹木、車輛等非目標(biāo)地物，對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，提高數(shù)據(jù)處理效率;（2）點(diǎn)云分割：調(diào)整視角，依次在正投影和各個側(cè)面投影中，通過多邊形切割工具，對剔除了無用數(shù)據(jù)的點(diǎn)云進(jìn)行分割，將建筑物俯視圖及各個立面圖點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲為單獨(dú)的文件。

2.4? 格式轉(zhuǎn)換與導(dǎo)出

（1）尺寸量測：在各個立面的點(diǎn)云文件中，對建筑物關(guān)鍵尺寸信息進(jìn)行量測，如墻體輪廓點(diǎn)、門窗角點(diǎn)等，獲取各立面墻體、門窗和其他地物尺寸信息，并進(jìn)行標(biāo)注;（2）格式轉(zhuǎn)換：將做好尺寸量測與標(biāo)注的各立面信息，切換到正視視角，并縮放至全圖，在主界面中將文件導(dǎo)出為圖片文件。

2.5? 立面繪制

（1）輪廓描繪：將Cyclone中導(dǎo)出的圖片文件導(dǎo)入AutoCAD，依次新建墻體、門、窗、屋檐、標(biāo)注等圖層，并通過多段線、矩形等工具，分別沿著圖片中各角點(diǎn)繪制建筑物外圍、門、窗、屋檐等輪廓線;（2）尺寸縮放：在CAD中量測建筑物各立面主要輪廓的尺寸數(shù)據(jù)，并與Cyclone中標(biāo)注的尺寸進(jìn)行對比，計算比例因子，并對圖形進(jìn)行整體縮放，將各立面整體縮放至實際尺寸。完成尺寸縮放后，即可進(jìn)行尺寸標(biāo)注，標(biāo)注對象包括墻體、門、窗寬度和高度等。

2.6? 面積統(tǒng)計

為統(tǒng)計各立面墻體面積，需依次對墻體、門、窗面積進(jìn)行匯總。依次選擇墻體、門、窗等圖層，通過CAD要素合并功能，對同一圖層范圍內(nèi)的同一類型要素進(jìn)行合并，并依次對門、窗、墻體等要素的總面積進(jìn)行統(tǒng)計，記入總面積統(tǒng)計表。

2.7? 圖形整飾與輸出

對建筑物的立面圖形進(jìn)行整飾，插入圖名、圖框、單位、比例尺、面積表等信息，調(diào)整各要素顏色，確保成圖美觀大方、實用規(guī)范，最后輸出為dxf圖形格式。

3? 實踐研究

為驗證上述方法的有效性，本文以武漢天河機(jī)場及其附屬建筑物立面測量項目為依托，開展了實踐研究。

3.1? 項目概況

天河機(jī)場位于湖北省武漢市黃陂區(qū)，占地總面積約12平方公里，機(jī)場及其附屬建筑物共120余棟，均為總層數(shù)少于4層的低矮建筑，分布較為稀疏，因此采用傳統(tǒng)測量手段存在布設(shè)控制點(diǎn)工作量大、周期長等問題，而新興的無人機(jī)航測技術(shù)也由于機(jī)場周邊禁飛而難以施行。因此，通過充分調(diào)研、科學(xué)論證，本文基于三維激光掃描技術(shù)對該項目進(jìn)行了探索實踐。

3.2? 實驗結(jié)果

本文采用Leica P30三維激光掃描儀1臺、Leica Cyclone三維激光點(diǎn)云處理軟件1套和AutoCAD 制圖軟件3套進(jìn)行項目實踐，并最終輸出各建筑物立面圖及其面積統(tǒng)計表。

以上成果全部順利通過驗收，成功應(yīng)用于天河機(jī)場立面整治工程，為工程決策、實施、驗收提供了有力支撐。這也說明了本文方法的有效性，能夠滿足立面數(shù)據(jù)的快速采集、處理與成圖的需要，且精度也符合相關(guān)規(guī)范要求。

4? 結(jié)? 論

本文對基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法進(jìn)行了深入探索，并結(jié)合軍運(yùn)會背景下天河機(jī)場及其附屬建筑物的立面整治實際項目進(jìn)行了實踐研究，獲取了各建筑物立面圖形，及各要素面積信息，為天河機(jī)場周邊建筑物的立面整治工程提供了科學(xué)支撐。從實驗結(jié)果來看，本文所提出的方法能夠滿足立面數(shù)據(jù)的快速采集、處理與成圖的需要，精度也符合相關(guān)規(guī)范要求。

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作者簡介：曹君（1987-），女，漢族，湖北武漢人，講師，碩士，主要從事測量專業(yè)教學(xué)與研究工作。