三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測繪中的應(yīng)用

萬建鵬，葉素倩，陳 敏

(1. 廣東省核工業(yè)地質(zhì)局測繪院，510800，廣州；2. 廣州開發(fā)區(qū)土地開發(fā)儲(chǔ)備交易中心，510700，廣州)

0 引言

建筑立面圖[1-2]是建筑物在與其立面平行的投影面上所得的正投影圖，精確繪制的立面圖可以清晰地反映建筑物的外部特征，是城市市容規(guī)劃改造、古建筑外部裝修重建等工程中施工設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)。傳統(tǒng)測量方法[3-4]一般通過全站儀極坐標(biāo)單點(diǎn)測量的方式，對(duì)建筑物各個(gè)立面的特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，局部區(qū)域還需借助皮尺、測距儀等工具進(jìn)行人工測量，存在耗時(shí)長、費(fèi)用高、效率低、精度無法保證等缺點(diǎn)，給立面測繪增加了很大難度。無人機(jī)航測[5]雖然能快速獲取建筑物三維信息，但在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)精度上都存在相關(guān)問題，且精度難以保證。三維激光掃描技術(shù)是通過激光掃描獲取大面積點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測繪技術(shù)，又稱為高清晰測量技術(shù)，經(jīng)過近年技術(shù)的高速發(fā)展，在變形監(jiān)測[6]、建筑工程[7]、文物保護(hù)[8]等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛。三維激光掃描儀通過激光脈沖發(fā)射高密度、帶有反射率信息的海量點(diǎn)云，在不接觸被測目標(biāo)情況下，實(shí)現(xiàn)了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速采集，在內(nèi)業(yè)處理中通過軟件可在點(diǎn)云中快速提取目標(biāo)的線、面、體等空間結(jié)構(gòu)信息，重構(gòu)出實(shí)體目標(biāo)的真彩色的三維模型?；谌S點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物信息提取方法克服了傳統(tǒng)立面測繪方式的缺點(diǎn)，能在復(fù)雜空間中對(duì)各類規(guī)則與不規(guī)則的建筑實(shí)體進(jìn)行快速作業(yè)，具有時(shí)間短、數(shù)字化、精度高、智能化等的突出優(yōu)點(diǎn)，更快、更便捷地獲取建筑物立面的制圖數(shù)據(jù)，為城市規(guī)劃、建筑物保護(hù)等后續(xù)實(shí)施工作提供基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 工作原理

目前市場上三維激光掃描儀的產(chǎn)品種類較多，在工程應(yīng)用中各具特點(diǎn)，本文基于FARO Focus儀器展開研究。FARO Focus系列三維激光掃描儀是美國FARO公司近年來研發(fā)的新型儀器，其測量原理是通過激光束發(fā)射傳遞到鏡頭中央，通過鏡頭的高速旋轉(zhuǎn)將激光發(fā)散到目標(biāo)物體，接觸物體后及時(shí)將激光位移數(shù)據(jù)反饋回掃描儀，得出激光和物體之間的距離，再利用調(diào)制技術(shù)和角度編碼器測量鏡頭和掃描儀兩者旋轉(zhuǎn)的角度，獲得各激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)。Focus系列掃描儀的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Focus系列掃描儀的技術(shù)參數(shù)

1.2 技術(shù)路線

采用FARO三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物立面測繪技術(shù)路線如圖1所示，其主要分為測量前資料的收集與技術(shù)方案編寫、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、立面圖繪制以及精度評(píng)定等。

1.3 三維數(shù)據(jù)采集

作業(yè)前應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，儀器部件是否齊全，運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，電池容量、內(nèi)存容量是否充足，當(dāng)環(huán)境條件較為惡劣時(shí)，要提前對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)熱，避免逆光拍攝。作業(yè)時(shí)，掃描應(yīng)均勻布設(shè)，設(shè)置在視野開闊、穩(wěn)定的安全區(qū)域，合理的測站可減少數(shù)據(jù)的冗余，利于后期數(shù)據(jù)處理，開始作業(yè)時(shí)要根據(jù)站點(diǎn)到目標(biāo)的距離，精度要求設(shè)置好掃描儀的掃

圖1 技術(shù)流程圖

描范圍、采集分辨率才開始掃描，每站間的點(diǎn)云重疊率≥20%，區(qū)域分塊掃描時(shí)，相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊度≥10%。標(biāo)靶布設(shè)是確保多站數(shù)據(jù)完整拼接的基礎(chǔ)，在每站掃描儀的有效視場內(nèi)標(biāo)靶布設(shè)要合理，避免盲區(qū)的建立，盲區(qū)會(huì)加大后期建模難度，其精度也會(huì)下降，要減少重復(fù)掃描區(qū)域，重復(fù)區(qū)域過多，既增加掃描工作量，又增加后期點(diǎn)云處理以及建模的工作量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、降噪抽稀、數(shù)據(jù)裁剪等工作。

1.4.1 點(diǎn)云拼接 由于測區(qū)范圍過大，只在一個(gè)測站無法獲取研究對(duì)象全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要將不同測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，每站采用3個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，一般以作業(yè)時(shí)布設(shè)的靶球?yàn)橥c(diǎn)。

1.4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 通過測得的標(biāo)靶的三維坐標(biāo)值，采用七參數(shù)法將FARO三維激光掃描儀掃描得到的點(diǎn)云網(wǎng)格中的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際控制測量系統(tǒng)的三維坐標(biāo)。

1.4.3 降噪抽稀 作業(yè)時(shí)由于存在環(huán)境因素的干擾，使獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在異常，可采用軟件自帶的濾波算法或人眼識(shí)別手動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪處理；點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余既增加了軟件展現(xiàn)負(fù)擔(dān)，又對(duì)目標(biāo)特征的提取沒有太大幫助，可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，但應(yīng)以滿足制圖要求為原則，根據(jù)局部特征可采取均勻抽稀或保留特征進(jìn)行抽稀。

1.4.4 數(shù)據(jù)裁剪 在軟件中可將目標(biāo)范圍內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別出來，確定邊界范圍后，運(yùn)用軟件裁剪功能將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，或根據(jù)對(duì)建筑物不同立面測繪的需求，運(yùn)用軟件的分割功能，將點(diǎn)云進(jìn)行分割，得到可制圖的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.5 成果輸出

得到可以進(jìn)行制圖的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，一般可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)用相關(guān)插件直接插入到AutoCAD中，運(yùn)用其強(qiáng)大的繪圖功能，根據(jù)GB/T 50104—2010[9]建筑制圖標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，對(duì)建筑立面圖的繪制進(jìn)行立面圖形的繪制。根據(jù)項(xiàng)目要求，對(duì)建筑物的外部特征進(jìn)行重點(diǎn)或側(cè)重點(diǎn)描繪，繪出整體輪廓。再對(duì)成果進(jìn)行精度評(píng)定。

2 工程實(shí)例

本文以廣東某地古村落建筑的保護(hù)項(xiàng)目為例，該村屬于民間文化遺產(chǎn)重點(diǎn)搶救對(duì)象，經(jīng)過現(xiàn)場探勘和研究，建筑的年代較為久遠(yuǎn)，墻體結(jié)構(gòu)較為脆弱，采用常規(guī)測量該項(xiàng)目無法達(dá)到業(yè)主方的時(shí)間和精度需求，故采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行立面測量。目標(biāo)建筑的現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 目標(biāo)建筑的局部圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

在現(xiàn)場踏勘得出，本次項(xiàng)目的古建筑群邊臨灌溉渠，只能在渠道對(duì)岸利用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但采集范圍不大，主要進(jìn)行繪制街道一側(cè)建筑群的立面圖。項(xiàng)目采用 FARO350地面站式三維激光掃描儀，掃描點(diǎn)云間隔為2 mm，站點(diǎn)間距控制在5～10 m，建筑物間外部細(xì)節(jié)較為相似，兩站之間保持30%以上的重疊度，使每個(gè)站點(diǎn)都能掃描到現(xiàn)場設(shè)定的靶球。由于掃描儀掃描距離較遠(yuǎn)，根據(jù)現(xiàn)場地勢特征，前半部分在對(duì)岸高樓通視處布設(shè)多個(gè)掃描站，后半部分在對(duì)岸的地面合適處布設(shè)掃描站點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集完畢后，將內(nèi)存卡中數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FARO配套軟件SCENE中，部分站點(diǎn)的測站點(diǎn)云如圖3所示。

在SCENE中進(jìn)行多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，軟件可自動(dòng)識(shí)別靶球位置進(jìn)行點(diǎn)云拼接，識(shí)別出錯(cuò)也可手動(dòng)標(biāo)定靶球位置進(jìn)行點(diǎn)云拼接。根據(jù)建筑物周邊的測量控制點(diǎn)，采用全站儀測定起始站或中

圖3 部分站點(diǎn)的測站點(diǎn)云

間3個(gè)同名靶球的坐標(biāo)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后將控制測量坐標(biāo)系引入到三維點(diǎn)云中，從而將多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合配準(zhǔn)到同一個(gè)坐標(biāo)系中，方便在軟件中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)精確配準(zhǔn), 配準(zhǔn)過程中控制站間誤差在2 mm以內(nèi)，滿足立面線畫圖的要求。經(jīng)過處理得到拼接后的建筑物群實(shí)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 測站點(diǎn)云拼接成果俯視圖

配準(zhǔn)拼接后得到的點(diǎn)云成果還需要進(jìn)一步處理，根據(jù)工程的精度要求，對(duì)拼接的原始點(diǎn)云進(jìn)行抽稀，減輕存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的壓力，再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，去噪可在SCENE軟件中使用其自帶的數(shù)據(jù)平滑功能進(jìn)行降噪，或結(jié)合肉眼識(shí)別，使用軟件中的框選工具等方法手動(dòng)剔除非目標(biāo)信息，再對(duì)整體的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到目標(biāo)區(qū)域的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 目標(biāo)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 立面圖繪制

立面圖能具體體現(xiàn)出建筑物基本形狀和特征的輪廓構(gòu)成。將三維點(diǎn)云進(jìn)行處理完成后，將特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出至AutoCAD中，結(jié)合正射影像圖、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物輪廓線、特征點(diǎn)、線、面等繪制建筑物的立面線畫圖，實(shí)際繪制時(shí)，參考實(shí)地踏勘拍攝的特征照片進(jìn)行驗(yàn)證校對(duì)，以確保建筑物立面信息的正確性，繪制的建筑立面細(xì)節(jié)如圖6所示。

圖6 建筑物立面細(xì)節(jié)

3 測量精度分析

FARO FUCUS系列三維激光掃描儀測距、測角的標(biāo)稱精度較高，但在實(shí)際掃描作業(yè)過程中，受到環(huán)境影響，其測量精度會(huì)受不同程度的影響，為驗(yàn)證本次數(shù)據(jù)采集的精度，選取多站中的9個(gè)靶球位置作為校驗(yàn)點(diǎn)，其中靶球位置坐標(biāo)用全站儀測出，高程用GPS的RTK測量模式測取，將實(shí)測的三維坐標(biāo)(x,y,H)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各站標(biāo)靶位置進(jìn)行對(duì)比，各個(gè)檢測點(diǎn)平面與高程誤差統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

根據(jù)各項(xiàng)的誤差△e，用公式(1)可得到平面中誤差與高程中誤差。

(1)

可得σx=0.025 m，σy=0.026 m，σH=0.019 m，σs=0.037 m，結(jié)果滿足《GB 50026―2016工程

表2 平面誤差與高程誤差統(tǒng)計(jì)表/m

測量規(guī)范》中對(duì)建筑立面圖平面和高程中誤差的限差要求，表明本次三維激光掃描數(shù)據(jù)采集的成果其精度滿足要求。在AutoCAD中進(jìn)行建筑物立面圖測繪，其基礎(chǔ)就是符合精度要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，當(dāng)外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)符合精度要求后，為更好地驗(yàn)證立面尺寸信息的準(zhǔn)確性，可通過提取立面圖中特征線的長度與實(shí)地激光測量的長度進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證繪制的立面圖的誤差大小是否滿足精度要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 立面圖特征相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表/mm

由誤差統(tǒng)計(jì)可知，其均誤差為8.46，即其邊長間距精度為 8.46 mm，按照國標(biāo)規(guī)范要求，非常滿足古建筑物保護(hù)立面測繪要求的，同時(shí)由誤差統(tǒng)計(jì)表明，誤差不隨邊長尺寸的積累而疊加，因?yàn)榱⒚婢€畫圖精度是以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，不同區(qū)域點(diǎn)云質(zhì)量會(huì)影響立面圖的精度。

4 技術(shù)總結(jié)

本文探討FARO三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測繪中的應(yīng)用，闡述了外業(yè)作業(yè)流程以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理步驟，通過廣東省某古建筑保護(hù)工程的實(shí)踐為例，對(duì)三維激光掃描在建筑物立面測量中的應(yīng)用展開了實(shí)例說明，對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)測量成果的精度進(jìn)行了驗(yàn)證，表明三維激光掃描儀在建筑物立面測繪中能發(fā)揮高效率、高精度、更智能、更便捷的特點(diǎn)，很好地滿足項(xiàng)目的需求。通過項(xiàng)目的具體實(shí)踐，進(jìn)一步掌握了三維激光掃描技術(shù)在建筑工程行業(yè)中的應(yīng)用，為工程上相關(guān)從業(yè)者提供參考范例，同時(shí)為將FARO三維激光掃描儀拓展到相關(guān)工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。對(duì)類似項(xiàng)目有借鑒意義。