非接觸測量技術在建筑立面改造中的應用

楊 永 波

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 概述

近年來，建筑外立面整治改造項目越來越多。但是對于老舊建筑，以及曾經翻新改建過的建筑，獲取其原始和改建時的設計施工圖紙已經不太現實，于是在進行立面改造的時候就缺少基礎資料，而且做工程經費預算的時候也缺少依據。傳統(tǒng)測繪一般采用全站儀極坐標單點測量的方式，分別采集該建筑的各個立面特征點進行繪圖。由于繪圖軟件一般是基于平面圖作業(yè)的，全站儀獲取的三維坐標導入軟件前還需要先進行坐標轉換編輯，此外局部區(qū)域還需要人工量距，作業(yè)效率非常低，精度更是無法保證[1，2]。

以激光掃描為主的非接觸測量技術，可以通過高密度、帶有反射率信息的海量點云，高度還原物體表面，應用范圍非常廣泛。考慮到建筑立面改造的需求，如果采用該技術，作業(yè)效率和數據精度將大大提高。另外，在點云的基礎上，現場再按一定順序拍攝現狀照片，對于建筑細部特征的表達會更加直觀、完整、立體[3]。

2 基于非接觸式測繪建筑立面的作業(yè)流程

鑒于三維激光掃描技術在文物保護等領域已經應用非常成熟，各類文獻對于三維激光掃描系統(tǒng)工作原理等方面的介紹已經比較多，本文不再贅述。

2.1 軟硬件介紹

從儀器設備測量模式來分類，三維激光掃描儀主要分為脈沖式和相位式兩種，一般來說脈沖式設備測程較長，應用于土石方測量、地形測量等；相位式掃描設備表達更為細膩，測程相對較短，應用于古建筑保護較多。隨著硬件的快速發(fā)展，現在越來越多的掃描設備同時具備兩種模塊，可以根據項目具體需求選擇不同的測量模式。目前在工程測量領域，常用的激光掃描設備有RIEGL VZ系列、徠卡P系列等長測程和FARO，RTC 360等短程測量設備，還有一些手持式、背包式掃描儀，更加輕便。不同設備各有優(yōu)劣，通常一個項目可采用多個掃描設備結合使用。

軟件方面,隨機軟件可以滿足絕大多數的數據處理需求，建筑立面測量的數據處理需求。在繪圖過程中，可采用AutoCAD，或者EPS繪圖平臺。

2.2 作業(yè)流程

采用實景復制技術進行建筑立面測量技術路線流程如圖1所示，主要包括數據采集階段、數據處理階段和成果制作階段。

3 工程實例

本文以重慶某片區(qū)建筑整體改造項目為例進行介紹。該片區(qū)共需要測量399棟建筑，擬測建筑分布密集，樓間距狹窄，且樓間多有植被或生活廢品，采用常規(guī)測量該項目無法達到委托方的時間和精度需求。經踏勘和研究，本項目采用非接觸式測量技術進行了立面測繪。

3.1 數據采集

數據采集前在作業(yè)前進行設備檢驗，包括儀器主機各部件及附件應匹配、齊全和外觀良好；儀器各個部件應連接緊密且穩(wěn)定耐用；三維激光掃描儀能否正常運轉、能否獲取數據、電源容量是否充足、內存容量是否充足、同軸相機能否同步獲取影像。

在對建筑外立面進行掃描時，掃描站點的布設應遵循以下原則：需要測設掃描站點坐標時，設站點至少與兩個控制點通視，設站點應該設置在視野開闊、地面穩(wěn)定、車流量較小的安全區(qū)域；掃描站站點應合理設計、均勻布設，盡量減少設站數目；測站的掃描范圍應覆蓋整個掃描對象；對象結構復雜、通視困難或線路拐角的情況應適當增加掃描站點。

點云數據采集滿足下列要求：

1)作業(yè)前應將儀器放置在觀測環(huán)境中進行溫度平衡。2)激光掃描儀應按以下步驟操作：架設掃描站、建立掃描項目、掃描范圍設置、點間距或者采集分辨率設置、開始掃描、獲取影像。3)測站間點云數據的重疊度不低于20%。4)采用區(qū)域分塊掃描時，相鄰點云數據的重疊度不低于10%。5)掃描過程中如果儀器工作出現異常，如斷電、死機等原因，或者儀器位置出現變化，應重新啟動儀器進行自檢、重新開始掃描。

紋理圖像數據采集最好使用高分辨率要求的單反相機，單張相片相幅設置到相機的最大分辨率，相機的最小像素不低于1 000萬像素；影像的拍攝角度應盡可能保持鏡頭正對目標面，無法正面拍攝全景時，先拍攝部分全景，再逐個正對拍攝，后期再進行合成；選擇光線較為柔和、均勻的天氣進行拍攝，避免逆光拍攝；能見度過低或光線過暗時不應拍攝；相鄰照片之間保證有不小于30%的重疊區(qū)域；采集影像時應畫好影像采集分布圖。

3.2 數據處理

數據處理主要包括點云拼接、降噪抽稀、數據裁剪等工作。

1)點云數據拼接。相鄰測站間點云重疊度不應小于20%，采用不少于3 個同名點建立轉換矩陣進行點云拼接，拼接后同名點的內附合精度應不大于5 cm，應采用迭代最鄰近點法改正測站間的拼接精度，改正后相鄰測站拼接誤差應不大于1 cm。2)降噪與抽?。狐c云數據中存在脫離掃描對象的異常點、孤立點時，應視點的數量采用濾波方法或人工手動進行點云數據降噪處理。對點云數據抽稀應注意掃描對象表面曲率變化不大區(qū)域應用均勻抽稀，抽稀后點云間距應滿足制圖的要求；掃描對象表面曲率變化明顯區(qū)域應采用保持特征的抽稀，根據法向量變化和曲率識別特征區(qū)域進行抽稀。3)彩色點云數據處理。選擇點云對應的影像數據，根據相機與掃描儀的姿態(tài)參數直接生成彩色點云，著色后的點云在色彩上應無明顯影像接縫。4)點云數據裁剪。將處理后的點云數據，運用軟件裁剪功能將點云數據進行裁剪，獲取的歷史文化資源獨立點云數據。5)生成可制圖的點云數據。將處理完成的點云數據，運用點云數據軟件的分割功能，根據需要在不同立面進行分割，得到可以進行制圖的點云數據，將點云數據運用相關插件(例如Cyclone CloudWorx)插入到CAD中，在CAD中運用其強大的繪圖功能，進行各種圖形的繪制。正射點云投影圖如圖2所示。

3.3 成果制作

在處理好的點云基礎上進行立面圖繪制工作。根據GB/T 50104—2010建筑制圖標準相關要求，對建筑立面圖的繪制有如下幾方面的要求：

1)立面圖制作應包括正立面、側立面和背立面。

2)立面圖應按“門窗關閉”狀態(tài)繪制。

3)立面圖應反映歷史建筑立面現狀特征。

4)對于曲面結構物，應繪制立面展開圖。

5)在定位軸線方面，建筑立面圖中，一般只繪制兩端的軸線及編號，以便和平面圖對照，確定立面圖的投影方向。

6)尺寸標注方面，建筑立面圖中高度方向的尺寸主要使用標高的形式標注，主要包括建筑物室內外地坪、各樓層地面、窗臺、門窗頂部、檐口、屋脊、陽臺底部、雨篷、臺階等處的標高尺寸。在所標注處畫一條水平引出線，標高符號一般畫在圖形外，符號大小一致整齊排列在同一鉛垂線上。必要時為使尺寸標注更清晰，可標注在圖內，如樓梯間的窗臺面標高。

7)建筑材料和顏色標注方面，在建筑立面圖上，外墻表面分格線應表示清楚。應用文字說明各部分所用面材料及色彩。

8)圖例方面，建筑立面圖上的門、窗等內容都是采用圖例來繪制的。在建筑物立面圖上，相同的門窗、陽臺、外檐裝修、構造做法等可在局部重點表示，繪出其完整圖形，其余部分只畫輪廓線。

初步繪制的建筑立面圖見圖3。

3.4 成果檢核

采用全站儀及測距儀量據的方法進行檢核，主要參考的驗核依據為《工程測量》中細部測量的相關要求(如表1所示)。

表1 建筑立面測繪點位誤差基本要求 cm

經驗核，本項目抽查397點，較差超過7 cm的共2點，最大為7.2 cm，而規(guī)范要求的中誤差為5.0 cm，2倍中誤差作為限差，即10 cm，說明成果精度滿足要求。

4 結語

本文介紹非接觸測量技術用于建筑立面測繪的關鍵步驟和主要流程，驗證了非接觸測量技術測繪建筑立面圖的適用性和精度，效率和精度優(yōu)勢非常明顯。但在具體項目的實施過程中，還有許多要注意事項，比如街道狹窄、遮擋嚴重區(qū)域的測繪，高層建筑上部結構不容易掃描到等等，需要根據現場情況選擇合適的設站點，并做好補測和檢核工作。在內業(yè)處理方面，軟件的選擇和作業(yè)順序的確定，也能影響作業(yè)效率和成果質量。