基于地面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物立面測(cè)繪方法研究

曹海春 張 娟

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030031；2.山西亞太數(shù)字遙感新技術(shù)有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

隨著城市數(shù)字化、信息化建設(shè)的飛速發(fā)展，臨街老舊建筑立面測(cè)繪工程已成為數(shù)字城市規(guī)劃的重要組成部分。由于這類建筑年代久遠(yuǎn)，其設(shè)計(jì)資料缺失、不完整較多，所以立面測(cè)繪也是建筑物改建、擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。傳統(tǒng)的建筑物立面測(cè)繪一般是人工測(cè)量方式、全站儀測(cè)量方式或近景攝影測(cè)量方式等，這些數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)作業(yè)員綜合素質(zhì)要求相對(duì)比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是采集的數(shù)據(jù)信息少，工作量大，耗費(fèi)大量的人力物力。

近年來，激光掃描技術(shù)迅速發(fā)展并日漸成熟，其空間搭載方式也更加多樣化，有機(jī)載型、地面型、便攜型等，可以綜合考慮項(xiàng)目需求選擇更合適的解決方案。激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的一次技術(shù)革命，由于其具有自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、數(shù)字產(chǎn)品精度高等特點(diǎn)，因此逐漸成為測(cè)繪領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，為空間信息獲取提供了更加科學(xué)有效的技術(shù)手段。

本文介紹了地面固定型激光掃描系統(tǒng)的工作原理，闡述了建筑物立面測(cè)繪的技術(shù)流程，簡(jiǎn)單介紹了地面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程，重點(diǎn)對(duì)立面圖繪制方法進(jìn)行了說明，最后進(jìn)行了精度驗(yàn)證。將該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中，可以為用戶提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，具有一定的參考價(jià)值。

1.工作原理

1.1 地面固定型激光掃描系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、控制系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)、后期處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，利用激光脈沖對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，可以大面積、快速度、高精度、高密度的取得地物的三維形態(tài)和影像數(shù)據(jù)。與全站儀不同之處在于，地面固定式激光掃描儀采集的不是離散的單點(diǎn)三維坐標(biāo)，而是一系列的離散海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)都是通過掃描儀直接獲取的，數(shù)據(jù)更加可靠，精度更高。

1.2 建筑立面圖原理

建筑立面圖是在與房屋立面相平行的投影面上的正投影圖。其中，反映主要出入口或比較顯著地反映出房屋外貌特征的立面圖，稱為正立面圖。其余的立面圖相應(yīng)稱為后立面圖、左/右立面圖、側(cè)立面圖。立面圖是城市規(guī)劃，環(huán)境亮化改造和建筑物改建、擴(kuò)建工程等外部裝修設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。

2.技術(shù)路線及作業(yè)流程

2.1 技術(shù)路線

在立面測(cè)繪項(xiàng)目中，采用地面三維激光掃描儀獲取的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠精準(zhǔn)反映建筑物層次結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)特征，精確獲取窗戶、門/孔洞、陽臺(tái)、房檐、柱、墻面分格線及其他建筑附屬物的空間信息。

通常情況下，一個(gè)完整的建筑物需要從不同的位置、不同的角度進(jìn)行多次掃描才能獲得完整的建筑外立面信息，包括點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)。為了得到完整可靠的數(shù)據(jù)，不同位置獲取的點(diǎn)云需要有一定的重疊區(qū)，以便進(jìn)行點(diǎn)云精準(zhǔn)拼接。數(shù)碼相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)主要為點(diǎn)云提供彩色紋理信息。

對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)融合后生成具有彩色信息的空間海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行建筑立面圖繪制，再以多種不同的格式輸出，能夠滿足各種空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)不同工程項(xiàng)目的需要，有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 作業(yè)流程

建筑物立面測(cè)繪主要包括資料收集、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、技術(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、立面圖繪制以及質(zhì)量檢查等步驟，具體作業(yè)流程（如圖1所示）；

圖1 建筑物立面測(cè)繪作業(yè)流程圖

3.試驗(yàn)區(qū)立面測(cè)圖實(shí)施方案

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本文采用的數(shù)據(jù)為某城鎮(zhèn)局部地面LiDAR點(diǎn)云，作業(yè)區(qū)內(nèi)建筑高度基本不大于20m，大部分為2-5層混凝土結(jié)構(gòu)，沿街部分底層為商鋪，上層為民用建筑。地形平坦，交通方便，便于外業(yè)數(shù)據(jù)采集。主要不利因素是沿街行樹比較茂密，對(duì)建筑物掃描遮擋較多，加大了數(shù)據(jù)采集難度，同時(shí)后期數(shù)據(jù)處理去噪也增大了工作量。

3.2 準(zhǔn)備工作

3.2.1 資料收集

試驗(yàn)區(qū)主要資料包括范圍矢量圖，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)采集區(qū)域；衛(wèi)星影像圖，作為基礎(chǔ)資料，用于對(duì)建筑進(jìn)行編號(hào)、路線設(shè)計(jì)等。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

進(jìn)行作業(yè)前，首先對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解試驗(yàn)區(qū)作業(yè)條件、交通、醫(yī)療等情況，了解氣候變化規(guī)律及可能發(fā)生的自然災(zāi)害，隨時(shí)掌握氣象信息，做好人員及設(shè)備防護(hù)工作。

了解試驗(yàn)區(qū)建筑物整體情況，分析建筑結(jié)構(gòu)、初步規(guī)劃采集區(qū)域、采集線路及測(cè)站布設(shè)。并與相關(guān)設(shè)計(jì)單位或施工單位人員溝通工序?qū)狱c(diǎn)，確保銜接暢通，保證數(shù)據(jù)完整性及可用性。

同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目需求，參考現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，對(duì)參與外業(yè)數(shù)據(jù)采集的人員進(jìn)行培訓(xùn)，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備使用、數(shù)據(jù)采集、安全作業(yè)等相關(guān)內(nèi)容。作業(yè)過程中，及時(shí)識(shí)別工作中存在的隱患，并隨時(shí)進(jìn)行控制、整改等。

3.3 技術(shù)設(shè)計(jì)

3.3.1 路線設(shè)計(jì)

結(jié)合試驗(yàn)區(qū)地形、地貌及用戶需求，確定數(shù)據(jù)采集路線。一般情況下，沿街道兩側(cè)按道路前進(jìn)方向依次進(jìn)行采集。

3.3.2 站點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)每幢建筑的實(shí)際情況、儀器的測(cè)程、數(shù)據(jù)采集模式以及數(shù)據(jù)采集密度，確定儀器架設(shè)位置。通常，需要圍繞建筑最少布設(shè)四個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行掃描，并保證各站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)有足夠的重疊度，滿足數(shù)據(jù)拼接需要。對(duì)于特殊建筑，還需要增加掃描站點(diǎn)，以確保采集到每幢建筑完整的掃描數(shù)據(jù)，便于后期數(shù)據(jù)處理。

3.4 數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)選取FA RO三維激光掃描儀，該儀器內(nèi)置高分辨率相機(jī)，同一站點(diǎn)分步掃拍，獲取360°掃描點(diǎn)云和彩色全景影像，并使影像與點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)匹配。該儀器自動(dòng)化程度較高，人工干預(yù)少，試驗(yàn)區(qū)對(duì)建筑點(diǎn)密度要求較高，因此掃描速度比較慢。

路線和點(diǎn)位設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入實(shí)施階段。外業(yè)作業(yè)員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，獲取彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)完全覆蓋被測(cè)建筑物。必要時(shí)，還需拍攝作業(yè)實(shí)況，記錄作業(yè)過程，用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)作為參考，對(duì)建筑周圍環(huán)境及立面特征進(jìn)行準(zhǔn)確判讀。

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過下載，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼及格式轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行同名點(diǎn)識(shí)別配準(zhǔn)及數(shù)據(jù)去噪處理，就得到一幢建筑物完整的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要使用儀器配套的FARO SCENE軟件進(jìn)行，使用該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化，包括以下內(nèi)容：

（1）點(diǎn)云的自動(dòng)拼接。將一幢建筑物的多站數(shù)據(jù)拼接成一個(gè)整體；

（2）冗余點(diǎn)云過濾。將建筑物外的移動(dòng)點(diǎn)云、錯(cuò)誤點(diǎn)云、多余點(diǎn)云等進(jìn)行刪除。

再加上少量的人工干預(yù)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查整理，就能夠輸出通用las格式的完整建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。某建筑彩色點(diǎn)云示意圖（如圖2所示），其中窗戶玻璃部分，由于玻璃材質(zhì)反射率低，接收到的點(diǎn)云較為稀少，存在點(diǎn)云空洞，這種情況一般不影響后期制圖，因此忽略。如果由于數(shù)據(jù)缺少，導(dǎo)致建筑不完整，就需要采取重新掃描或補(bǔ)測(cè)的措施，確保數(shù)據(jù)完整。

圖2 建筑彩色點(diǎn)云示意圖

3.6 立面圖繪制

建筑物立面圖的繪制，主要包括以下步驟：

（1）格式轉(zhuǎn)換。使用Autodesk ReCap軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)從las格式轉(zhuǎn)換為rcp格式；

（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入。打開AutoCAD軟件，設(shè)置為三維建模模式，附著rcp格式點(diǎn)云；

（3）定義坐標(biāo)系。通常情況下，點(diǎn)云附著完成后，在軟件中顯示的是俯視圖，而立面圖繪制需要在與房屋立面相平行的平面上進(jìn)行，因此需要重新定義坐標(biāo)系；

具體處理方法如下：

定義坐標(biāo)軸：使用三點(diǎn)定義新的俯視圖坐標(biāo)系，這三點(diǎn)一般為原點(diǎn)、正x軸上的點(diǎn)和正xy平面上的點(diǎn)。

對(duì)于規(guī)則建筑，一般選擇最明顯的、穩(wěn)定的建筑墻體長(zhǎng)邊作為x軸線，并將坐標(biāo)軸平移到墻體前方，使得在新的俯視圖坐標(biāo)系中x軸平行于墻體。對(duì)于不規(guī)則建筑，根據(jù)項(xiàng)目需求，可以適當(dāng)綜合或取舍。

切換視圖：坐標(biāo)軸定義后仍然為俯視坐標(biāo)系，要進(jìn)行立面繪制，就需要將視圖切換為前視圖，使得建筑物立面與電腦屏幕平行。

定義用戶坐標(biāo)系：切換前視圖后，建筑物立面投影于xz平面內(nèi)，而后期繪圖需要在xy平面進(jìn)行。因此，需要使用軟件功能，將xz平面轉(zhuǎn)換為xy平面，這時(shí)用戶坐標(biāo)系的xy平面與屏幕對(duì)齊。

（4）建立圖層。根據(jù)成果需求，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的圖層。本試驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目圖層設(shè)置（如圖3所示）:

圖3 圖層屬性示意圖

（5）立面圖繪制。使用AutoCAD軟件提供的繪圖工具進(jìn)行立面圖繪制。主要包括以下步驟：

圖面繪制：選擇要進(jìn)行繪制的某一立面，對(duì)于一幢建筑的其他面可以暫時(shí)選擇隱藏點(diǎn)云，避免由于透視造成判斷錯(cuò)誤。需要時(shí)，可以參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況圖或視頻，準(zhǔn)確判定建筑物各部位屬性。

填充渲染：矢量線繪制完成后，進(jìn)行圖案填充。主要填充陽臺(tái)、窗戶及臺(tái)階等，對(duì)墻體材質(zhì)進(jìn)行文字說明。點(diǎn)云和立面圖繪制對(duì)應(yīng)（如圖4所示）:

圖4 立面圖繪制示意圖

（6）整理輸出。一幢建筑的各個(gè)立面繪制完成后，分別命名為正、后、左、右及側(cè)立面，按建筑編號(hào)進(jìn)行整理輸出。

3.7 精度檢查

用全站儀實(shí)地測(cè)量對(duì)應(yīng)建筑物各部位的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，作為真實(shí)值，檢查基于地面LiDAR數(shù)據(jù)所測(cè)立面圖的精度。精度對(duì)照表（如表1所示）:

表1 精度對(duì)照表 單位：m

從表1中數(shù)據(jù)差值分析，最大差值為-0.06m，最小為0.018m，建筑物各部位相對(duì)整體精度滿足項(xiàng)目要求（0.1m）。

3.8 技術(shù)細(xì)節(jié)說明

3.8.1 建立樣板文件

圖層樣板：每幢建筑進(jìn)行單獨(dú)繪制立面圖時(shí)，可以建立圖層樣板文件，設(shè)置項(xiàng)目要求的圖層及相應(yīng)的圖層特性，比如層名、層碼、顏色及線型等。

數(shù)據(jù)提交樣板：每幢建筑按建筑命名進(jìn)行數(shù)據(jù)提交時(shí)，也可以建立數(shù)據(jù)提交樣板文件，類似于圖層樣板，根據(jù)提交要求進(jìn)行設(shè)置。

樣板文件統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，能夠提高作業(yè)效率，立面圖繪制也更加便捷。

3.8.2 數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，由于部分街道狹窄，常規(guī)的布站方法難以滿足要求，所以采取增設(shè)站點(diǎn)來保證整幢建筑數(shù)據(jù)采集完整，必要時(shí)在樓頂進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證閣樓數(shù)據(jù)完整。

對(duì)于植被遮擋嚴(yán)重的建筑，進(jìn)行多方位加密采集，保證不出現(xiàn)點(diǎn)云漏洞，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)再進(jìn)行重點(diǎn)去噪，以滿足后期立面圖繪制。

3.8.3 立面圖繪制細(xì)節(jié)

實(shí)際立面圖繪制過程中，建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，立面有時(shí)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的豎直面，有弧形，轉(zhuǎn)折形或者其他異形結(jié)構(gòu)。對(duì)于常規(guī)立面，采用直接投影方法進(jìn)行。針對(duì)特殊的建筑，根據(jù)項(xiàng)目需求，采取綜合或者細(xì)化的處理方式，先進(jìn)行分割區(qū)分，再進(jìn)行各面分別投影，最后進(jìn)行繪制，化繁為簡(jiǎn)，做到不錯(cuò)不漏。繪制中主要注意以下細(xì)節(jié)：

(1)坐標(biāo)系定義準(zhǔn)確，否則會(huì)導(dǎo)致偏差，影響成果精度；

(2)墻體繪制采用粗實(shí)線，與其他層進(jìn)行區(qū)分；

(3)同一投影面，不同材質(zhì)間需要畫分割線進(jìn)行區(qū)分；

(4)對(duì)于設(shè)計(jì)整齊統(tǒng)一的建筑部位，可以復(fù)制相關(guān)元素。

4.結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。通過試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)分析，證明利用該技術(shù)進(jìn)行建筑立面圖繪制，能夠滿足工程應(yīng)用的精度要求。在實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中，立面測(cè)圖時(shí)還需要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)采集時(shí)注意站點(diǎn)架設(shè)位置，避免外界因素干擾；數(shù)據(jù)處理時(shí)減少拼接去噪誤差，提高點(diǎn)云質(zhì)量；立面圖繪制中精細(xì)化各個(gè)立面。地面三維激光掃描技術(shù)在很大程度上可以縮短工期，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，為工程施工、設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

課題項(xiàng)目：

本論文是作者基于山西省教育科學(xué)規(guī)劃課題《高職教育企業(yè)引領(lǐng)、課賽證融通教學(xué)模式研究》與山西亞太數(shù)字遙感新技術(shù)有限公司人員合作完成的階段性研究成果，課題號(hào)GH-19275，課題單位：山西工程職業(yè)學(xué)院。