三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于城市建筑物外立面測(cè)繪
——以云南省澄江縣提質(zhì)擴(kuò)容建筑外立面改造項(xiàng)目為例

金新平

(華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院(福建)有限公司 福建福州 350003)

0 引言

為了進(jìn)一步提升云南省澄江縣城市發(fā)展空間和完善城市功能，塑造全域旅游城市形象，把澄江縣建成云南最美縣城和云南的“會(huì)客廳”，玉溪市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局?jǐn)M通過“城市修復(fù)、生態(tài)修復(fù)”的方式，實(shí)施老城區(qū)更新改造、城市修復(fù)、重點(diǎn)村改造提升、增綠填色等項(xiàng)目改善城鄉(xiāng)人居環(huán)境。澄江縣提質(zhì)擴(kuò)容建筑外立面改造項(xiàng)目為上述工程的一部分，涉及矣舊村外立面112 780m2，小灣村外立面64 300m2，小凹村外立面25 600m2，馬房村、吉里村外立面78 792m2以及振興路外立面改造工程14 525m2?，F(xiàn)階段立面圖一般采用傳統(tǒng)測(cè)量方式。常用外立面測(cè)量技術(shù)有以下3種：①人工測(cè)量。利用腳手架和測(cè)量工具由人工測(cè)量；②攝影測(cè)量。運(yùn)用正直攝影獲取建筑物外立面影像，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理，獲取建筑立面特征點(diǎn)坐標(biāo)；③全站儀測(cè)量。使用全站儀測(cè)量建筑物外立面上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)軟件處理得到建筑外立面上點(diǎn)的坐標(biāo)，通過特征點(diǎn)進(jìn)行外立面繪制工作[1]。但這些測(cè)量方式都有各自缺點(diǎn)，比如效率較低、不能較好地表達(dá)復(fù)雜外立面，操作復(fù)雜，后期處理很難處理復(fù)雜建筑等；而三維激光掃描技術(shù)可以較好地滿足這些要求。

1 激光掃描儀介紹

三維激光掃描儀技術(shù)，利用激光測(cè)距原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速復(fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。在城市建筑物外立面測(cè)繪領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑物無接觸快速掃描，并同時(shí)將獲得的點(diǎn)云信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的立面圖繪制數(shù)據(jù)。因此，具有以下優(yōu)勢(shì)：①掃描速度快，一般分辨率單站測(cè)量時(shí)間僅需幾分鐘；②掃描精度高，在合適范圍內(nèi)可達(dá)到±2mm；③采樣率高，對(duì)復(fù)雜建筑外立面有較好的表現(xiàn)能力?？傊S激光掃描技術(shù)憑借每秒將近100萬點(diǎn)的掃描速度，可以輕松完成對(duì)復(fù)雜建筑的精確測(cè)量。同時(shí)，三維激光掃描儀是自身發(fā)射激光，而不依賴外部光源，所以在夜晚、地下溶洞等極端條件下依然可以工作。三維激光掃描儀的測(cè)量數(shù)據(jù)可以一次測(cè)量多次使用，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方式的后期處理，能夠根據(jù)客戶需求生成各種模式的數(shù)據(jù)，滿足用戶對(duì)同一區(qū)域的不同需求[2]。

2 技術(shù)路線

采用激光三維掃描儀進(jìn)行立面繪制的整體思路，利用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，通過后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，選取立面繪制所需的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行立面繪制工作。具體作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 立面成圖流程圖

3 原始數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作階段，主要利用激光掃描儀對(duì)建筑物外立面進(jìn)行系統(tǒng)、完整的數(shù)據(jù)收集。步驟包括：

(1)查看作業(yè)區(qū)域平面圖初步制定作業(yè)流程；現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行合理修改，根據(jù)目標(biāo)建筑物被遮擋情況，選擇掃描路線和掃描方案。

(2)布置掃描點(diǎn)，將儀器正確架設(shè)至三腳架上，調(diào)整掃描儀至水平；掃描前后檢查儀器與三腳架連接處是否松動(dòng)，然后開始掃描作業(yè)。

(3)每次掃描完成后，利用掃描儀屏幕檢查掃描結(jié)果，以確保數(shù)據(jù)完整性；若有物體經(jīng)過造成大范圍遮擋，可重新對(duì)此站掃描。掃描儀距離與被測(cè)物體應(yīng)大于1m，同時(shí)注意盡量避開遮擋物對(duì)掃描影響，必要時(shí)可對(duì)被遮擋嚴(yán)重的建筑物單獨(dú)掃描。

(4)測(cè)站之間，可以合理布置靶標(biāo)球(至少3個(gè)且不在同一直線上)，用于后期處理的站間精確拼接。

(5)及時(shí)記錄各掃描站點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系，以便后期數(shù)據(jù)整理和處理有序進(jìn)行。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 原始數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始數(shù)據(jù)處理，主要對(duì)各站的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行檢視，檢查數(shù)據(jù)有效性，保證后期數(shù)據(jù)處理不出現(xiàn)錯(cuò)誤。將原始掃描數(shù)據(jù)載入對(duì)應(yīng)軟件，分別查看各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及圖像數(shù)據(jù)，然后根據(jù)作業(yè)記錄的資料選取所需站點(diǎn)，剔除錯(cuò)誤的和不需要的數(shù)據(jù)，同時(shí)檢查是否有大量遮擋情況，若有則進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)。

如果掃描時(shí)使用了靶標(biāo)球，則在每一站數(shù)據(jù)中利用相關(guān)算法識(shí)別出靶標(biāo)球，并進(jìn)行標(biāo)記，以便下一步的多站拼接工作開展。圖2是拼接前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由圖2可以清晰看到站與站之間是分離的。

圖2 拼接前點(diǎn)云數(shù)據(jù)(吉里村部分)

4.2 掃描數(shù)據(jù)的多站拼接

點(diǎn)云的多站拼接是點(diǎn)云配準(zhǔn)工作，是從掃描坐標(biāo)系到控制坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換工作，其拼接方法常用的有3種：①基于目標(biāo)的多站拼接；②基于俯視圖的多站拼接；③基于云跡的多站拼接。

(1)如果掃描時(shí)使用了專用靶標(biāo)球，則可以利用基于目標(biāo)的多站拼接模式進(jìn)行拼接工作?；诎袠?biāo)球的多站拼接是通過算法識(shí)別出來的已知形狀(靶標(biāo)球)，通過最佳擬合人工標(biāo)志，獲得人工標(biāo)志中心的高精度坐標(biāo)，計(jì)算兩站之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣并統(tǒng)一兩站坐標(biāo)，對(duì)所有測(cè)站進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作，最終將所有測(cè)站統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下。

(2)基于俯視圖的拼接模式，則根據(jù)測(cè)站數(shù)據(jù)二維俯視圖之間的相關(guān)性進(jìn)行多站拼接工作。因?yàn)榛诟┮晥D的精度相比基于目標(biāo)或基于云跡精度相對(duì)較低，所以，一般將基于俯視圖拼接作為初步拼接結(jié)果，即粗拼結(jié)果。圖3為基于云跡拼接的結(jié)果，由圖2可清楚看到各站點(diǎn)云已經(jīng)拼接到一起，表1是基于多站拼接數(shù)據(jù)的分析。

圖3 粗拼后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

表1 基于俯視圖的多站拼接數(shù)據(jù)分析

由表1可知，拼接點(diǎn)之間的平均值為10.2904mm，誤差<4mm的點(diǎn)占22.3%。

(3)基于云跡的多站拼接法，則運(yùn)用點(diǎn)云的ICP(Iterative CIosest Point，ICP)配準(zhǔn)法，以點(diǎn)集對(duì)點(diǎn)集(PSTPS)配準(zhǔn)方法為基礎(chǔ)的一種曲面擬合算法?；谒脑獢?shù)的配準(zhǔn)方法后，運(yùn)用Faugera 和Hebert 提出的方法計(jì)算新的最近點(diǎn)點(diǎn)集，并進(jìn)行迭代運(yùn)算，直到殘差平方和所構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)值不變[3]。這種拼接方式通過多次迭代運(yùn)算，可以將精度在基于俯視圖拼接精度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。表2是基于云積多站拼接的數(shù)據(jù)分析。

表2 基于云跡的多站拼接數(shù)據(jù)分析

由表2可知，拼接點(diǎn)之間的平均值為5.664mm，誤差<4mm的點(diǎn)占41.6%。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行一次基于云跡的拼接，得到的結(jié)果為拼接點(diǎn)之間的平均值是5.591mm，誤差<4mm的點(diǎn)占41.7%，變化不大。

對(duì)比表1(基于俯視圖的多站拼接數(shù)據(jù)分析)與表2(基于云跡的多站拼接數(shù)據(jù)分析)可知，基于云跡的多站拼接在精度上比基于俯視圖的多站拼接提高了一倍左右，滿足立面繪制要求。拼接完成之后，對(duì)整體點(diǎn)云進(jìn)行最后的檢查、命名和保存。

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀、切割

在選用一般分辨率情況時(shí)，掃描結(jié)果中每一站的點(diǎn)云數(shù)都超過600萬，多站拼接之后的數(shù)據(jù)量很大，可以達(dá)到幾GB甚至數(shù)十GB，這些都會(huì)導(dǎo)致軟件處理速度過慢而影響工作效率，需要對(duì)拼接后數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理。第一步處理，就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀。

常用的抽稀算法有兩種：一種是根據(jù)曲率抽稀。這種方法可以根據(jù)點(diǎn)云的曲率選取合適的抽稀參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)云抽稀。該抽稀法可以更加高效地表現(xiàn)出高曲率處的點(diǎn)云，有效減少點(diǎn)云高曲率部分被過度抽稀導(dǎo)致邊緣不清晰情況出現(xiàn)。另一種是基于八叉樹的抽稀算法。這種算法可以人工調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)抽稀選擇合適的距離間隔取點(diǎn)，適合平面較多的情況。結(jié)合點(diǎn)云情況選擇合適的抽稀算法進(jìn)行抽稀操作，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)在不改變數(shù)據(jù)精度情況下壓縮規(guī)模。

與此同時(shí)，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中仍存在許多冗余數(shù)據(jù)，比如對(duì)后期數(shù)據(jù)處理會(huì)留下遮擋的高大植物、車輛、行人以及數(shù)據(jù)不完整的建筑物，而這些數(shù)據(jù)在立面繪制過程不會(huì)用到，且對(duì)下一步的立面繪制工作有障礙，所以需要將拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中與立面繪制無關(guān)的數(shù)據(jù)切割并刪除，然后整理、編號(hào)、妥善保存。

5 建筑外立面繪制

經(jīng)過上述處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)現(xiàn)在只包括繪制所需要的外立面以及為了防止缺失保留的一部分建筑邊緣，繪制建筑外立面工作即可依下面若干步驟開展。

(1)在俯視圖視角觀察建筑外立面點(diǎn)云，確定外立面正確方向，然后在立面中選擇一個(gè)合適的高度作為標(biāo)高(為了準(zhǔn)確選擇外立面參照平面，標(biāo)高一般選取外立面水平長(zhǎng)度最大處)。

(2)選中標(biāo)高，調(diào)整標(biāo)高的水平長(zhǎng)度以覆蓋外立面，并在俯視圖中為立面畫出與外立面平行的參照平面。然后，畫出與參照平面平行的剖面線，拖動(dòng)剖面框，直到包括整個(gè)建筑。

(3)拾取參照平面，選取上一步繪制的剖平面，選擇正確的立面方向，從剖面視圖(圖4)觀察點(diǎn)云，可以看到整體建筑外立面；但是，由于點(diǎn)云顏色單一，門窗、屋檐、陽臺(tái)等主要構(gòu)造邊界模糊，難以區(qū)分。

圖4 剖面視圖(振興路鎮(zhèn)新華園部分)

(4)由于建筑外立面構(gòu)造大多為門窗陽臺(tái)，與墻面相互之間有垂直關(guān)系，所以可以利用法線對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類：點(diǎn)云中某一個(gè)點(diǎn)及周邊點(diǎn)都可以形成一個(gè)平面，而且這個(gè)平面的法線可以利用算法得到。根據(jù)法線方向?qū)@一點(diǎn)點(diǎn)及周邊點(diǎn)進(jìn)行賦色處理，最終可得到結(jié)果如圖5所示，由圖5中可以清晰地分辨不同結(jié)構(gòu)之間的分界線。

圖5 賦色后點(diǎn)云圖(振興路鎮(zhèn)新花園部分)

(5)利用相關(guān)軟件(如AutoCAD)對(duì)建筑的外立面，以及外立面的各種構(gòu)造進(jìn)行繪制。

(6)使用標(biāo)注工具，對(duì)重要尺寸如門窗、臺(tái)階、陽臺(tái)等進(jìn)行標(biāo)注。繪制完成之后，將外立面圖與點(diǎn)云圖對(duì)比，進(jìn)行完整性及正確性檢查[4]。最后整理、命名、妥善保存。圖6為數(shù)據(jù)處理得到的最終成果圖。

圖6 外立面成果圖(振興路鎮(zhèn)新花園環(huán)城北路側(cè))

6 結(jié)語

云南澄江縣提質(zhì)擴(kuò)容建筑外立面改造項(xiàng)目，利用Faro focus 3d x120三維激光掃描儀，在30d內(nèi)累計(jì)完成立面圖3500幅，建筑面積約295 997m2，充分展示了激光掃描測(cè)繪作業(yè)的便捷性，數(shù)據(jù)種類獲取的豐富性以及較高的工作效率，尤其對(duì)于作業(yè)情況復(fù)雜的區(qū)域具有人工測(cè)繪不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在規(guī)劃、考古、測(cè)繪等很多行業(yè)都表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[5]。但是，目前仍存在不足之處，比如數(shù)據(jù)采集方式有待進(jìn)一步簡(jiǎn)化(比如背包式、車載式)，作業(yè)效率有待進(jìn)一步提高，尤其是數(shù)據(jù)的后處理自動(dòng)化程度偏低，雖然相比人工測(cè)量已經(jīng)有了很大的效率提升，但時(shí)間以及人力成本仍然是一個(gè)較大的問題，亟待解決。所以，數(shù)據(jù)后處理軟件的開發(fā)需求十分迫切，是以后的研究方向。