探究基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物外立面測(cè)量

摘? 要：以提高建筑外立面測(cè)量與制圖精度為前提，針對(duì)陜投煤田地質(zhì)雅安項(xiàng)目，分析激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在外立面測(cè)量、制圖中的應(yīng)用。首先介紹陜投煤田地質(zhì)雅安項(xiàng)目概況以及激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用原理，肯定其在外業(yè)測(cè)量環(huán)節(jié)的應(yīng)用價(jià)值。其次從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備工作、操作流程、判定測(cè)量與制圖精度三方面做出分析，了解激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的建筑外立面測(cè)量和制圖操作要領(lǐng)，為今后外業(yè)測(cè)量與制圖工作提供技術(shù)支持，以期能夠推動(dòng)我國(guó)外業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能化、信息化轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：激光點(diǎn)云數(shù)據(jù);建筑物外立面;測(cè)量;制圖

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）22-0027-04

Abstract： On the premise of improving the accuracy of building facade measurement and mapping， aiming at the Ya’an project of Shaanxi investment coalfield geology， this paper analyzes the application of laser point cloud data in facade measurement and mapping. Firstly， it introduces the general situation of Ya’an project of Shaanxi investment coalfield geology and the application principle of laser point cloud data， and affirms its application value in field measurement link. Secondly， analyzes the preparation of laser point cloud data acquisition， operation process， determination of the accuracy of measurement and mapping， understands the operation essentials of building facade measurement and mapping based on laser point cloud data， and provides technical support for field measurement and mapping in the future， so as to promote the sustainable development of the field of field measurement and realize intellectualization and informatization transformation.

Keywords： laser point cloud data; building facade; measurement; mapping

0? 引? 言

針對(duì)物體進(jìn)行三維模型重建，是時(shí)下討論與關(guān)注的熱點(diǎn)話(huà)題。三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中越來(lái)越完善，以此為基礎(chǔ)的三維模型重建技術(shù)也得到了完善，而且使模型重建技術(shù)逐漸成熟。在我國(guó)測(cè)繪領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，可以高效采集物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且對(duì)于采集空間數(shù)據(jù)而言，該技術(shù)也是一種新方式，具有高效率、高精度、高分辨率的特點(diǎn)，自動(dòng)化采集物體表面三維數(shù)據(jù)。利用采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以在軟件中及時(shí)處理，對(duì)物體進(jìn)行三維建模。目前以激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的物體三維模型重建，廣泛應(yīng)用于建筑測(cè)量、數(shù)字城市、遺產(chǎn)及文物保護(hù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等各個(gè)領(lǐng)域，尤其是建筑物外立面測(cè)量與繪圖，通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅可以加強(qiáng)真實(shí)性、準(zhǔn)確性，還可以保證測(cè)量工作的效率。為此，下文針對(duì)陜投煤田地質(zhì)雅安項(xiàng)目，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的運(yùn)用展開(kāi)分析。

1? 工程概況

陜投煤田地質(zhì)雅安項(xiàng)目。其中，雅安項(xiàng)目東區(qū)布設(shè)了GCP300和GCP400兩條控制線(xiàn)，共布設(shè)點(diǎn)位113個(gè)，測(cè)區(qū)面積2 000平方公里，計(jì)劃飛行3架次;定標(biāo)場(chǎng)3平方公里，計(jì)劃飛行1架次;西區(qū)計(jì)劃3架次。東區(qū)地處四川盆地和青藏高原的結(jié)合地帶，天氣狀況惡劣、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。進(jìn)行外業(yè)測(cè)量與控制，主要采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行定標(biāo)點(diǎn)和測(cè)圖控制點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量。定標(biāo)點(diǎn)和控制點(diǎn)選用三面角反射器，其示意圖如圖1所示。定標(biāo)點(diǎn)分布在3 km×1 km范圍內(nèi)，該范圍為定標(biāo)場(chǎng)。定標(biāo)場(chǎng)要求地形相對(duì)平坦，開(kāi)闊區(qū)域。本次試驗(yàn)備選定標(biāo)場(chǎng)CP1和CP2如圖2所示。定標(biāo)場(chǎng)的角反射器定義為定標(biāo)點(diǎn)，其具體位置由中國(guó)航天科工二十三所提供，1：5 000測(cè)圖控制點(diǎn)角反射器與定標(biāo)場(chǎng)角反射器布放要求的最大區(qū)別為，控制點(diǎn)的點(diǎn)位可以偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)100 m以?xún)?nèi)?？刂泣c(diǎn)具體位置由二十三所提供，示意圖如圖3所示。

2? 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用原理

點(diǎn)云主要代表的是逆向建模技術(shù)采集數(shù)據(jù)的集合，即大量點(diǎn)的集合，點(diǎn)則是有坐標(biāo)形式呈現(xiàn)，代表物體外表面形狀、點(diǎn)的顏色與灰度值，可以使用3D掃描設(shè)備獲取。結(jié)合陜投煤田地質(zhì)雅安項(xiàng)目，采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先需要使用無(wú)人機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，得到傾斜影像，再按照傾斜影像可以直接形成影像匹配點(diǎn)云[1]。其次，地面架設(shè)三維激光掃描儀，負(fù)責(zé)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理。再次，配準(zhǔn)基元提取一般使用濾波算法，將地面、植被點(diǎn)云去除，由技術(shù)人員分析總結(jié)建筑物點(diǎn)云坐標(biāo)z值差異，再將建筑物屋頂點(diǎn)云進(jìn)行分割處理，此環(huán)節(jié)可以結(jié)合法向傾角差異、α-shape算法，預(yù)估屋頂輪廓邊界。最后，建筑屋頂輪廓支持自動(dòng)配準(zhǔn)，利用質(zhì)心約束、主成分分析，得出變換矩陣即可結(jié)束粗配準(zhǔn)，此時(shí)可使用迭代最近點(diǎn)算法進(jìn)行精配準(zhǔn)處理[2]。

3? 建筑物外立面測(cè)量中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用

3.1? 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備工作

建筑物外立面測(cè)量，主要應(yīng)用三維激光掃描儀、三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)激光測(cè)距即可達(dá)到非接觸激光測(cè)距與測(cè)角的效果。在本項(xiàng)目中我們布置GCP300和GCP400兩條控制線(xiàn)，共布設(shè)點(diǎn)位113個(gè)，測(cè)區(qū)面積2 000平方公里，計(jì)劃飛行3架次，定標(biāo)場(chǎng)3平方公里，計(jì)劃飛行1架次。工作隊(duì)伍分兩組：地面組和飛行組。地面作業(yè)人員分成兩隊(duì)進(jìn)行測(cè)量，提前4小時(shí)進(jìn)入測(cè)區(qū)，分別在GCP300控制線(xiàn)和GCP400控制線(xiàn)同時(shí)作業(yè)，按照設(shè)計(jì)要求布設(shè)好角反，并將測(cè)區(qū)天氣和云層情況告知飛行組。

3.2? 操作流程

機(jī)載毫米波INSAR雷達(dá)航空攝影及4D成果制作具體操作流程如圖4所示。

第一，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘。按照掃描對(duì)象，可以直接明確掃描范圍、具體路線(xiàn)、架設(shè)儀器的位置、掃描距離、采樣密度等，從而制定掃描方案。為了給制定測(cè)量方案提供參考依據(jù)，針對(duì)被測(cè)建筑附近環(huán)境務(wù)必展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，踏勘時(shí)尤其要檢查現(xiàn)有點(diǎn)位置、保存、可利用概率，優(yōu)先使用保存完好、精度高的點(diǎn)。按照建筑物高度和方位這些特征數(shù)值，可以確定測(cè)量線(xiàn)路、儀器架設(shè)位置、測(cè)量距離與采樣密度等，以免發(fā)生被測(cè)建筑被遮擋的現(xiàn)象。天氣是噪點(diǎn)的直接影響因素，應(yīng)該盡可能地避免在惡劣天氣下進(jìn)行作業(yè)。選點(diǎn)結(jié)束之后馬上繪制草圖，在現(xiàn)場(chǎng)拍照，為之后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、制定測(cè)量方案等提供參考依據(jù)。

第二，采集數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)的原始記錄如表1所示。

已經(jīng)確定好的路線(xiàn)中，科學(xué)架設(shè)掃描儀、靶球，利用掃描測(cè)量便可以得到被測(cè)物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)軟件中進(jìn)行自動(dòng)化處理。當(dāng)實(shí)地踏勘工作結(jié)束，按照制定方案可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。提前準(zhǔn)備外業(yè)測(cè)量需要用到的儀器，尤其要檢查測(cè)量?jī)x器的電源和存儲(chǔ)空間，待所有準(zhǔn)備工作結(jié)束方可實(shí)施外業(yè)測(cè)量，降低返工概率。確定好的路線(xiàn)選定合適位置架設(shè)儀器，并科學(xué)設(shè)置測(cè)量距離、采樣密度等參數(shù)，隨即開(kāi)始組織掃描作業(yè)[3]。被測(cè)物體掃描，要求兩個(gè)測(cè)站間的掃描范圍必須有重疊度，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)的拼接提供方便。控制好測(cè)站間距，在保證作業(yè)精度基礎(chǔ)上減少工作量。測(cè)站到被測(cè)物體的間距距離也需要注意這些問(wèn)題。對(duì)于多站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描，處理階段尤其應(yīng)該做好拼接操作，兩測(cè)站的掃描范圍保證重疊，確定公共同名點(diǎn)，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)放置靶球，采集了各個(gè)站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)之后，可以自動(dòng)計(jì)算圓心點(diǎn)，提高拼接操作處理的效率。另外，外業(yè)人員負(fù)責(zé)勘探現(xiàn)場(chǎng)草圖的回執(zhí)，從多個(gè)角度拍照記錄好外業(yè)測(cè)量的方位。所有掃描工作結(jié)束之后，生成數(shù)據(jù)及時(shí)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)軟件中進(jìn)行處理。

第三，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。待處理數(shù)據(jù)一般包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去除噪點(diǎn)，當(dāng)完成一系列處理流程之后，便可以著手繪制建筑物外立面的二維線(xiàn)劃圖[4]。掃描得到的數(shù)據(jù)及時(shí)導(dǎo)入到SCENE軟件中，工作區(qū)范圍內(nèi)可以一次性加載完成所有數(shù)據(jù)，將平面視圖打開(kāi)，觀察數(shù)據(jù)的完整性，若數(shù)據(jù)不完整，應(yīng)該重新掃描不完整區(qū)域。隨后開(kāi)始拼接和去除噪點(diǎn)，觀察三維視圖，其中包括大量點(diǎn)云，直接組成了立體圖像，平面視圖通過(guò)標(biāo)記球體工具，在兩幅數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確標(biāo)記公共靶球，準(zhǔn)確測(cè)量坐標(biāo)數(shù)值，在各個(gè)角度測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊部分?jǐn)?shù)據(jù)，隨即進(jìn)行拼接處理，即可獲得完整3D數(shù)據(jù)圖。因?yàn)闇y(cè)站位置被設(shè)定在被測(cè)物體前方，可以更加方便地進(jìn)行全面掃描，掃描獲得建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)涵蓋大量噪聲點(diǎn)，按照實(shí)際情況將噪點(diǎn)去除。最后便可以著手繪制外立面，處理完畢的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及時(shí)導(dǎo)出，整理為XYZ格式，更加方便在CAD軟件中繪制立面圖。因?yàn)镃AD無(wú)法直接讀取XYZ格式文件，必須提前將其轉(zhuǎn)換成CAD軟件支持讀取的PCG文件。通過(guò)軟件中的“創(chuàng)建點(diǎn)云”功能，在SCENE軟件中將XYZ格式文件導(dǎo)出，隨即獲得Autodesk文件。然后應(yīng)立即重啟CAD軟件，確保得到的數(shù)據(jù)在繪圖時(shí)得到有效利用。打開(kāi)CAD軟件，選擇“附著點(diǎn)云”功能，點(diǎn)云數(shù)據(jù)便可以在CAD軟件中直觀顯示。

一般在建筑物外立面繪圖階段，既需要仔細(xì)觀察圖片，還要融合圖片、點(diǎn)云展開(kāi)繪圖。按照點(diǎn)云分布、圖片內(nèi)容，明確具體代表的物體，圖片中細(xì)節(jié)部分也應(yīng)該可能地在CAD成圖中還原。坐標(biāo)軸移動(dòng)到點(diǎn)云，利用對(duì)象捕捉具有的節(jié)點(diǎn)捕捉功能，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸到點(diǎn)云平行，調(diào)整方向后繪圖。繪圖的第一步為墻體，CAD軟件中進(jìn)行基本繪圖作業(yè)，勾勒建筑物外立面尺寸，根據(jù)從下到上、從左到右、由簡(jiǎn)至難的順序逐一繪制。按照建筑物外立面門(mén)窗所在位置，觀察外業(yè)拍攝照片繪制細(xì)節(jié)，并填充圖案，此環(huán)節(jié)需要做好標(biāo)注[5]。如圖5所示。

3.3? 判定測(cè)量與制圖精度

建筑物外立面測(cè)量中的邊長(zhǎng)精度，是立面圖整體精度的決定性因素，因此邊長(zhǎng)定位精度評(píng)價(jià)十分重要。利用三維激光掃描技術(shù)判定精度，其核心為邊長(zhǎng)對(duì)比[6]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)量取特征邊長(zhǎng)度數(shù)值，將其與全站儀測(cè)量得到的特征邊長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比分析結(jié)果可以作為三維激光掃描儀邊長(zhǎng)定位外部精度最終的參考依據(jù)，而且直觀反映出三維激光掃描儀、高精度傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器在精度方面的差異，了解三維激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。通過(guò)全站儀、FARO三維激光掃描儀兩個(gè)設(shè)備，同時(shí)展開(kāi)長(zhǎng)度觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀在測(cè)量時(shí)得到的數(shù)據(jù)，和全站儀測(cè)得數(shù)據(jù)比較接近，線(xiàn)差值甚至可以達(dá)到毫米級(jí)。由此發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描儀在測(cè)量精度上，滿(mǎn)足建筑物立面圖測(cè)量、制圖對(duì)精度的要求，還有利于提高數(shù)據(jù)采集效率。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，建筑物外立面的測(cè)量、制圖，是前期非常重要的工作，此環(huán)節(jié)采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅可以提高數(shù)據(jù)采集工作的效率，還有效保證了數(shù)據(jù)精度，為后期制圖夯實(shí)基礎(chǔ)。另外，三維激光掃描儀、三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，也在一定程度上改善了傳統(tǒng)設(shè)備與技術(shù)的不足，通過(guò)拍照記錄的方式，可以從多個(gè)維度進(jìn)行觀察，從細(xì)節(jié)上進(jìn)行制圖的填充，由此也體現(xiàn)出激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在外立面測(cè)量、制圖環(huán)節(jié)的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉軍（1981.05—），男，漢族，江蘇豐縣人，工程師，本科，研究方向：不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪、工程測(cè)量。