基于三維激光掃描儀和全站儀技術(shù)的外立面測量方法

姚培軍 尹燕運

（中兵勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

建筑物外立面測量是利用技術(shù)手段對已有建筑物的外貌、形狀、高度、外部裝飾等內(nèi)容進行精確測量，并反映出建筑物外表面包含的門窗、陽臺、臺階等內(nèi)容的工作。

隨著技術(shù)的發(fā)展，建筑物外立面測量方法有了多種選擇。國內(nèi)外技術(shù)人員對于建筑物外立面測量主要從采用合適的技術(shù)方法去提高作業(yè)效率層面進行研究。傳統(tǒng)作業(yè)模式為：外業(yè)采用“全站儀+草圖”的方法，使用全站儀免棱鏡模式采集建筑物外立面細部特征點的三維坐標(biāo)；內(nèi)業(yè)將全站儀采集的數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，繪制立面圖[1-3]。國內(nèi)技術(shù)人員對于采用地面三維激光掃描儀的方法進行了詳細研究[4-10]，地面三維激光掃描儀可以快速獲取高精度、高密度的建筑物外立面幾何特征點云，配合相關(guān)軟件快速精確地繪制建筑物外立面圖。

當(dāng)前國內(nèi)雖然已對兩種作業(yè)方式有了較為全面的研究并對比了兩種方法的優(yōu)缺點，但兩種作業(yè)模式相結(jié)合的研究比較少。當(dāng)建筑物外立面結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，傳統(tǒng)作業(yè)模式工作量大、效率低，不僅容易出錯，而且不易發(fā)現(xiàn)錯誤。利用地面三維激光儀可以快速準(zhǔn)確地進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，但遇到作業(yè)空間狹小、遮擋嚴(yán)重的情況時會有采集數(shù)據(jù)不完整的情況。

在實際工程中，將兩種方式進行整合，形成一套以地面三維激光掃描技術(shù)為主、全站儀免棱鏡技術(shù)為輔的工作流程，可以快速完成建筑物外立面測量任務(wù)，對類似工程提供參考指導(dǎo)。

1 技術(shù)路線

將建筑物不同的立面投影到與立面平行的鉛垂面上，然后按照一定比例縮小而得到的正射投影圖稱之為建筑立面圖，簡稱立面圖[11]。立面圖主要反映建筑物在垂直方向的各部分高度、藝術(shù)造型和外部裝飾等特征[10]。一般情況下，立面測量的成果形成需要依托AutoCAD 平臺的CASS 和天正軟件[12]，也可依托清華山維EPS 軟件[13]。立面圖上應(yīng)將門窗、陽臺、造型、屋面等都表示出來，利用尺寸標(biāo)注、圖例、說明等方式解釋各部分相對位置關(guān)系及大小。

利用地面三維激光掃描儀獲取建筑物整體點云數(shù)據(jù)、利用全站儀免棱鏡技術(shù)進行局部補測，本文使用FARO Focus S 350 激光掃描儀進行建筑物外立面點云的獲取，實現(xiàn)建筑物外立面測量的作業(yè)流程見圖1。

2 實施過程

本文通過工程實例對實施的具體過程進行詳細說明，并總結(jié)各環(huán)節(jié)應(yīng)注意的問題。

2.1 現(xiàn)場踏勘

接受任務(wù)后，需要到現(xiàn)場進行踏勘，現(xiàn)場踏勘是重要的前期準(zhǔn)備工作。如現(xiàn)場建筑物數(shù)量較多，應(yīng)手繪建筑物分布略圖，并在圖中標(biāo)注擬定地面三維激光掃描作業(yè)測站點。測站點位置的選擇應(yīng)符合以下五個要素：①測站點位置應(yīng)視野開闊、行人車輛較少且距離建筑物不宜過近；②測站點之間距離應(yīng)適當(dāng)，以保證獲得的點云有足夠的重疊度；③測站點的布設(shè)位置應(yīng)充分考慮建筑物外立面的結(jié)構(gòu)變化處、屋面凹凸線、門窗位置等重點部位，如無法一站獲取全部數(shù)據(jù)，應(yīng)適當(dāng)加設(shè)測站點；④掃描視線與目標(biāo)夾角應(yīng)盡量小[5]，建筑物正面宜布設(shè)測站點，若現(xiàn)場環(huán)境不允許，可在需測立面的兩個角點處布設(shè)測站；⑤對于建筑物高度較高的情況，應(yīng)在距建筑物較遠且較高處布設(shè)測站點，以保證建筑物上部點云數(shù)據(jù)的完整性。

踏勘過程中要重點查看建筑物密集、遮擋嚴(yán)重、作業(yè)空間狹小的區(qū)域，在這些區(qū)域附近選取合理位置布設(shè)全站儀架站點，施測過程中采用全站儀免棱鏡模式進行補充測量。

踏勘過程中還應(yīng)注意以下問題：①準(zhǔn)確獲取建筑物層數(shù)，并將層數(shù)標(biāo)注在建筑物分布略圖中；②必要的情況下，可提前確定靶標(biāo)位置；③根據(jù)工作量大小及儀器電池工作時間，預(yù)估外業(yè)作業(yè)時間；④根據(jù)未來天氣及工期情況擬定進場時間，需協(xié)調(diào)進場的要提前溝通。

2.2 現(xiàn)場作業(yè)

地面三維激光掃描儀作業(yè)一般需要兩人，一人操作儀器，另一人需要盡量減少現(xiàn)場車輛及人員的走動對掃描的影響，必要的情況下需增加人員協(xié)助。根據(jù)現(xiàn)場踏勘初步選定的測站點位置，結(jié)合儀器仰角及遮擋物情況確定最終測站位置；根據(jù)建筑物表面結(jié)構(gòu)的不同選擇不同的掃描精度。FARO Focus S 350 激光掃描儀外業(yè)掃描作業(yè)可以采用無靶標(biāo)作業(yè)方式，相鄰兩站之間需要保證一定的重疊度，重疊度建議達到10%以上。每站掃描結(jié)束后立即通過儀器屏幕檢查掃描效果，如掃描效果明顯不好需要檢查原因并在此站重新掃描。遇到雨、雪等天氣應(yīng)盡量避免掃描作業(yè)。

對于現(xiàn)場能判斷、確定的三維激光掃描儀無法測量的區(qū)域，采用自由設(shè)站[9]的方法架設(shè)全站儀進行免棱鏡測量。宜選取精度不低于測角精度±2″，測距精度2 mm+2 ppm·D 的全站儀進行數(shù)據(jù)采集[14]。全站儀免棱鏡測量時，應(yīng)對掃描儀已采集數(shù)據(jù)區(qū)域的建筑物的特征點進行測量作為立面基準(zhǔn)點，以方便內(nèi)業(yè)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如房屋下緣線兩端點、具有顯著特征的平面特征點等。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

2.3.1 點云數(shù)據(jù)處理

地面三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)需要利用專門的軟件進行拼接，將多個測站采集的點云合成一個單一有效的點云。不同品牌的掃描儀一般都有配套的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，如Riegl 掃描儀配套軟件RiscanPro、FRAO 掃描儀配套軟件SCENE、Trimble 掃描儀配套軟件Trimble RealWorks、Leica 掃描儀配套軟件Leica Cyclone 等[15]。

本作業(yè)流程以SCENE 軟件為例，其數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

圖2 點云數(shù)據(jù)處理流程圖

使用SCENE 軟件進行點云拼接，可以使用軟件的自動注冊功能。自動注冊分為兩步：第一步選擇基于俯視圖方法進行注冊并驗證，完成后查看三維視圖和拼接誤差報告，在報告中可以查看拼接精度；第二步選擇基于云對云方法進行注冊并驗證，完成后同樣可以查看三維視圖和拼接誤差報告。如果在自動注冊的過程中通過三維視圖發(fā)現(xiàn)拼接錯誤，或者拼接誤差報告中點誤差過大，需要選擇手動注冊。采用無標(biāo)靶作業(yè)模式，在SCENE 中相鄰兩站可以標(biāo)記兩個共同平面外加一個共同點進行手動注冊，兩站手動注冊后可以自動組成一個集群。手動注冊需要注意：①標(biāo)記的共同平面和共同點不要集中在一起，盡量分散；②共同面應(yīng)盡量小，共同點應(yīng)為同一平面內(nèi)的特征角點且不宜選擇有凹凸結(jié)構(gòu)的角點；③合理利用集群功能，可以快速完成注冊拼接。

在外業(yè)掃描時，樹木、車輛、行人等所有能夠反射激光信號的物體都被采集，為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量及建筑物特征識別的精度，拼接完成后的點云需要進行冗余數(shù)據(jù)的刪除。點云拼接效果見圖3。

圖3 點云拼接效果圖

2.3.2 全站儀數(shù)據(jù)處理

全站儀數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理，最主要的工作是數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法有很多，向繼平等[9]、何屹雄等[12]利用CASS 軟件和Excel 表格相結(jié)合的方法進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理原理相同，可以靈活選用合適的處理方法。根據(jù)其研究基礎(chǔ)，經(jīng)過實驗，可以選擇以下簡便的方法完成全站儀自由設(shè)站采集數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：①將全站儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出，整理成格式為“點號,,Y,X,H”的.dat 文件，將導(dǎo)出的文件導(dǎo)入CASS軟件，做簡單連線；②以外業(yè)采集的立面基準(zhǔn)點一端為軸，旋轉(zhuǎn)至水平方向，將旋轉(zhuǎn)后的點生成數(shù)據(jù)文件并保存為.csv 格式；③用EXCEL 軟件打開.csv 文件，用H 列的數(shù)據(jù)替換X 列的數(shù)據(jù)，后將H 列的數(shù)值全部修改為0，保存為新的.dat 文件；④將新的.dat 文件重新展點到CASS 中。

2.3.3 立面圖繪制

利用已處理好的點云數(shù)據(jù)繪制立面圖，主要有兩種方法[5,8,16]：一種是三維的方法，利用Autodesk Recap 將SCENE 軟件導(dǎo)出的.pts 格式點云轉(zhuǎn)換成.rcp 格式，將.rcp 格式的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Auto-CAD 中，自定義UCS，選擇需繪制立面的視圖進行描繪。此方法是對點云數(shù)據(jù)直接進行量測，因此對電腦的性能要求較高，此外對作業(yè)人員的經(jīng)驗要求也較高。另一種方法是利用正交投影相片，SCENE 軟件可以導(dǎo)出.tif 格式的正交相片，將.tif 格式的正交相片導(dǎo)入至AutoCAD 中可以描繪出立面圖。此方法作業(yè)效率較高，操作簡便易行。全站儀補充測量的數(shù)據(jù)，根據(jù)外業(yè)草圖進行繪制。正交相片見圖4。

圖4 正交相片

在立面圖繪制的過程中，需要注意以下幾點：①建立合理的圖層，不同的要素選用不用的圖層顏色（見圖5）；②SCENE 軟件可以導(dǎo)出每個測站的全景照片，繪制立面圖時可以參考；③點云數(shù)據(jù)繪制的立面圖和全站儀數(shù)據(jù)繪制的立面圖，需要有公共點進行拼接。

圖5 圖層設(shè)置示例

經(jīng)過以上步驟可繪制出建筑物外立面線劃圖（見圖6），作業(yè)人員需對初圖進行現(xiàn)場檢查，如發(fā)現(xiàn)繪制錯誤或遺漏重要要素，需進行全站儀補測或少量皮尺量測。

圖6 建筑外立面線劃圖

3 結(jié)論

根據(jù)實踐經(jīng)驗，總結(jié)了地面三維激光掃描儀結(jié)合全站儀進行建筑物外立面測量的流程及注意事項，得出以下結(jié)論：

（1）利用地面三維激光掃描儀進行建筑物外立面點云掃描快速高效地完成外立面點云獲取，結(jié)合全站儀定點補充測量對點云數(shù)據(jù)不完整部分進行補測，可以實現(xiàn)建筑物外立面重要要素的坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取工作。

（2）內(nèi)業(yè)充分利用點云處理軟件和AutoCAD 相關(guān)軟件，可以提高內(nèi)業(yè)繪圖效率。

（3）本文的工作流程方案，可以更好地為建筑物外立面測量工作服務(wù)，為類似工程項目提供參考。

（4）新技術(shù)的發(fā)展，帶來了作業(yè)模式的更新，根據(jù)實際工作的不同，應(yīng)選擇合適的作業(yè)方式，如無人機測量。