基于三維激光掃描技術(shù)的建筑立面應(yīng)用研究

黃文嘉

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060）

目前常用的建筑測繪方法主要有傳統(tǒng)測繪法、近景攝影測量法和三維激光掃描技術(shù)測量法，其中，傳統(tǒng)測繪方法主要采用手工測量或傳統(tǒng)測繪儀器測量；近景攝影測量法通過在地面攝影測量的方式實(shí)現(xiàn)；三維激光掃描技術(shù)則通過掃描獲取建筑物的特征信息，通過后期處理得到建筑物二維立面圖、三維線劃圖和三維模型[1]。相較于傳統(tǒng)的測量手段，三維激光掃描技術(shù)能在多種環(huán)境下全天候作業(yè)，采用主動發(fā)射激光的方式，無需直接接觸目標(biāo)物，即可獲取目標(biāo)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]，還能在掃描過程中實(shí)時、動態(tài)顯示掃描數(shù)據(jù)，并采用數(shù)字化方式儲存，以便后期各種建模軟件的處理與輸出。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集要準(zhǔn)備以下儀器設(shè)備：Riegl VZ-1000三維激光掃描儀、配套電池兩塊及其充電器、三腳架1 個、配套單反相機(jī)1 套、高分辨率數(shù)碼相機(jī)1 臺、筆記本電腦1 臺。

在掃描作業(yè)時，首先在控制點(diǎn)位置架設(shè)儀器，必要時搭設(shè)平臺進(jìn)行掃描。通過與Riegl VZ-1000 掃描儀配套的RiSCAN PRO 軟件對目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：設(shè)置分辨率為10 mm 進(jìn)行全景掃描，確定目標(biāo)物所在區(qū)域的范圍和方位，然后根據(jù)掃描需要，設(shè)置分辨率為2 mm，選取建筑物所在影像區(qū)域進(jìn)行精細(xì)掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性，如有缺失或異常數(shù)據(jù)，應(yīng)及時補(bǔ)測；若沒有就命名并儲存點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一測站的掃描工作，直至完成所有掃描任務(wù)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

使用Geomagic Studio2016 軟件的全自動配準(zhǔn)功能，一鍵將所有測站拼接起來。配準(zhǔn)時需要選擇1 個基準(zhǔn)測站，基準(zhǔn)測站配準(zhǔn)過程中保持坐標(biāo)不變，其他測站會與基準(zhǔn)測站尋找公共部分，并通過平移旋轉(zhuǎn)拼接到正確位置，因此，基準(zhǔn)站必須是水平測站[3]。全自動配準(zhǔn)具體過程如下：

（1）粗略配準(zhǔn)。系統(tǒng)分析每個測站中所有豎直面并進(jìn)行編號，計算出各個測站之間匹配的唯一解。

（2）精化配準(zhǔn)。系統(tǒng)分析每個測站中的所有水平面，對配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化；然后使用迭代最近點(diǎn)法（ICP）讓兩個測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擁有最大重疊率，并使得重疊區(qū)域有最小殘差值。

（3）提取預(yù)覽點(diǎn)云。預(yù)覽點(diǎn)云相當(dāng)于步長為6 進(jìn)行采樣。步長采樣原理為: 將當(dāng)前測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)視為一張以儀器位置點(diǎn)為中心的全景圖，每個三維點(diǎn)視為1 個不會被重疊的全景像素。當(dāng)所有像素均被提取時，步長為1；當(dāng)每6 個像素提取1 個三維點(diǎn)時，步長為6。使用步長采樣可以快速獲取輕量化的稀疏點(diǎn)云，并保持現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)構(gòu)特征，有利于在自動拼接結(jié)束時，快速對拼接質(zhì)量進(jìn)行檢查。測試地點(diǎn)1 為一條歷史建筑街面，共掃描24 站，每個測站掃描2 min，外業(yè)總用時不到2 h。全自動拼接用時30 min，拼接完成后會自動顯示配準(zhǔn)報告，報告顯示點(diǎn)云配準(zhǔn)整體精度為4.7 mm，基于公共點(diǎn)的點(diǎn)云拼接如圖 1 所示。

軟件將兩測站的對象點(diǎn)云，通過手動注冊方式完成對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初始拼接：首先在視圖窗口將兩站點(diǎn)云視圖，調(diào)整至相近方位，然后依次選取兩站點(diǎn)云中的3 對公共點(diǎn)。公共點(diǎn)盡量選擇帶有明顯標(biāo)識性信息的點(diǎn)，如角點(diǎn)、拐點(diǎn)等。兩站點(diǎn)云間的平均距離為9 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為21 mm，拼接精度滿足初始配準(zhǔn)的精度要求。

圖1 基于公共點(diǎn)的點(diǎn)云拼接

2.2 點(diǎn)云去噪

準(zhǔn)備測量的建筑物位于越秀區(qū)較繁華街道，由于附近來往游客以及周圍植被、建筑物等遮擋物的影響，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)必然存在一些噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)不僅會影響三維模型的精度，還會影響處理速度，因此為了降低噪聲對后續(xù)建模精度的影響，有必要對點(diǎn)云進(jìn)行去噪，保證后期三維建模時的精度。噪聲點(diǎn)主要是來往行人、雜亂的電力線、城市綠化、空氣中的灰塵顆粒以及儀器本身造成的粗差點(diǎn)云等。

這些噪聲點(diǎn)一般有以下幾種處理方法：

（1）對于一些數(shù)據(jù)量大且人眼可直接觀察的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以直接使用點(diǎn)云處理軟件中人機(jī)交互的方式，手動框選后將其刪除；

（2） 對于空氣中的灰塵，可以利用軟件自帶的“采樣”功能，將其分離出去；

（3）剩余噪聲多屬于離群點(diǎn)，密度不均且離主體建筑物對象較為接近，手工刪除效率較低、去噪效果較差，因此，可以選擇軟件的“去噪”功能，去除該類噪聲。

項目掃描時間避開了上下班高峰期，行人、車輛較少，噪聲點(diǎn)大多為樹木、空氣中的灰塵等。將三個測站的點(diǎn)云導(dǎo)入軟件，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在噪聲點(diǎn)云，影響點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度，因而，先通過軟件“選擇”功能中的“非連接項”和“體外弧點(diǎn)”選項，初步去噪。非連接點(diǎn)是通過與主體點(diǎn)云的距離關(guān)系，剔除與主體點(diǎn)云沒有連接關(guān)系的噪聲點(diǎn)；體外弧點(diǎn)是剔除與主體點(diǎn)云中絕大多數(shù)點(diǎn)云相距較遠(yuǎn)的噪聲點(diǎn)。綜合考慮去噪效果、去噪工作的時間消耗等多方面因素，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)螖?shù)為3 次時，最終結(jié)果最為良好，因此本次點(diǎn)云去噪流程，設(shè)置迭代次數(shù)為3 次。前兩步去噪剔除了大部分噪聲點(diǎn)。但是由于有部分灰塵顆粒，其反射率高于建筑物，或者較為接近地面的噪聲點(diǎn)，難以依靠軟件的去噪算法進(jìn)行剔除，需要手動剔除，最終得到圖2 所示的去噪前后對比圖。

圖2 點(diǎn)云去噪前后對比圖

2.3 數(shù)據(jù)精簡

掃描分辨率越高、目標(biāo)物越大，采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量就越多，因為是通過重疊部分的公共點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，所以點(diǎn)云會存在數(shù)據(jù)冗余，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡。

通過軟件的“統(tǒng)一采樣”功能，采用均勻抽稀的方法精簡數(shù)據(jù)，并調(diào)整點(diǎn)云間的疏密，以避免點(diǎn)云疏密不均導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題。精簡后點(diǎn)云數(shù)量由850 萬縮減至398 萬個。

3 建筑物立面圖的生成

建筑物立面圖主要包含建筑物的外貌和外部結(jié)構(gòu)信息、建筑各部分垂直方向的高度、外部裝飾造型等。

以點(diǎn)云為原始數(shù)據(jù)，繪制立面圖，其精度與點(diǎn)云精度基本一致，且立面圖比例為1∶1，可以更精確呈現(xiàn)建筑物表面的紋理和結(jié)構(gòu)特征。由于數(shù)據(jù)量十分龐大、CAD 加載的數(shù)據(jù)量有限，實(shí)際繪制之前必須對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，然后再利用AutoCAD 進(jìn)行繪制。

具體方法為：通過Geomagic 處理軟件將點(diǎn)云模型進(jìn)行平面投影處理，得到投影后數(shù)據(jù)，再進(jìn)行提取并繪制。該方法提高了繪圖效率，減少多余點(diǎn)云的干擾。具體操作可分為下列幾步：

（1）本文案例的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量并不多，可直接利用軟件設(shè)置為las 格式，并定義坐標(biāo)軸，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出。（2）通過Autodesk Recap 將las 格式點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為rcp 格式。（3）通過軟件的“附著”功能加載點(diǎn)云。（4）觀察導(dǎo)入的數(shù)據(jù)是否為需要的視圖方向，若不是就先調(diào)整點(diǎn)云的坐標(biāo)系，使其與視圖坐標(biāo)系相同。然后定義平面，根據(jù)正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制立面圖。（5）重復(fù)上述步驟建立建筑西面的立面圖。由于該建筑物位于十字路口，沿街立面只有北面和西面，因此只需建立建筑物北面和西面的立面圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 建筑北面立面圖

圖4 建筑西面立面圖

4 結(jié)束語

本文以廣州市某大樓為例，詳細(xì)闡述了大樓的外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程及其注意事項和避免手段，對大樓點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、簡化等數(shù)據(jù)預(yù)處理，總結(jié)與分析了實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中遇見的問題。基于大樓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成了大樓點(diǎn)云模型的建立，通過點(diǎn)云模型可以量測整個大樓的尺寸數(shù)據(jù)，為大樓的傾斜度、平整度檢測提供了數(shù)據(jù)支持；通過繪制立面圖、精度分析驗證可行性，為以后大樓的立面改造提供了數(shù)據(jù)保障。