三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用研究

黃曉群

(汕頭市潮南區(qū)自然資源測繪中心，廣東 汕頭 515144)

0 引 言

隨著城市規(guī)劃與老舊城區(qū)改造建設(shè)工作進度的加快，建筑立面規(guī)劃、舊城改造、建筑改造、城市改造等工程不斷涌現(xiàn)。在此項工作中，建筑外立面、臺階、高程等規(guī)劃問題引起研究者的關(guān)注[1]。但目前大部分建筑立面信息采集作業(yè)，將測距儀、皮尺、相機等設(shè)備作為測量設(shè)備，通過人工量測，獲取建筑物立面三維坐標(biāo)。但基于相關(guān)工作的實際需求可知，此種作業(yè)方式存在難度大、偏差大、誤差高、效率低等方面的問題，尤其在進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑立面測繪時，更是需要工程方投入大量的財力支撐測繪作業(yè)。目前，此方法已被淘汰，本文也將結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計全新的立面測繪技術(shù)[2]。

1 三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用

1.1 基于三維激光掃描技術(shù)的立面點云數(shù)據(jù)采集與處理

利用三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對其進行了掃描，獲得了四個點。假設(shè)所有點可以組成一個立面點集P，則進一步分析得到待求解的建筑立面方程：

ax+by+cz=1

(1)

式中：a、b和c分別為所有三維激光掃描點坐標(biāo)解算平面法方程系數(shù)；x、y和z代表立面點集當(dāng)中某一點的空間坐標(biāo)[3]。通過對所有三維激光掃描點坐標(biāo)解算，將所有掃描點坐標(biāo)組成一個矩陣，如下述公式所示：

(2)

式中：n代表三維激光掃描點具體個數(shù)。點云數(shù)據(jù)是構(gòu)建三維模型的關(guān)鍵，為獲取更完整的點云數(shù)據(jù)，按照圖1所示的流程對數(shù)據(jù)進行采集。

圖1 建筑立面點云數(shù)據(jù)采集流程圖

在進行三維立體激光掃描儀時，要像傳統(tǒng)的掃描儀一樣，全面、詳細地了解測區(qū)的總體情況，并根據(jù)測區(qū)周邊環(huán)境，畫出一幅野外草圖，以便根據(jù)對象的尺寸和障礙物，確定測量點的位置和所需的站點數(shù)量，并按實際情況安排好；針對工程需要，首先對建筑的空間、地表進行了觀測，再利用數(shù)字攝像機對目標(biāo)進行圖像采集[4]。在完成現(xiàn)場踏勘后，還需要按照實地踏勘繪制的草圖與影像招標(biāo)，對數(shù)據(jù)采集過程中遇到的問題進行分析，并制定可行的實施方案。在對三維激光掃描測站位置進行選擇時，根據(jù)現(xiàn)場被測繪建筑高度，通過2～3個測站進行數(shù)據(jù)采集，每一個測點都分別架設(shè)在建筑的正對面，每個測站與建筑物之間的距離都應(yīng)當(dāng)控制在15～25 m[5]。為確保點云數(shù)據(jù)精度，還需要對三維激光掃描技術(shù)的觀測提出更高要求，具體要求見表1。

表1 三維激光掃描技術(shù)觀測要求

在按照上述操作完成對三維激光掃描以及對點云數(shù)據(jù)的采集后，對獲取到的點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。按照“原始點云數(shù)據(jù)”→“點云配準”→“點云去噪”→“點云精簡”→“三維建模及其他應(yīng)用”的流程完成點云數(shù)據(jù)預(yù)處理[6]。在進行點云去噪時，設(shè)置的迭代次數(shù)越多，則點云數(shù)據(jù)集合當(dāng)中提出的噪聲點數(shù)量越多，但標(biāo)準偏差和軟件的運行耗時都會同時增加[7]。因此，綜合考慮，將迭代次數(shù)設(shè)置為3次，以此得到最佳的去噪效果。

1.2 構(gòu)建建筑立面點云測繪模型

在完成對建筑立面點云數(shù)據(jù)采集與處理后，利用Geomagic Studio軟件對點云數(shù)據(jù)進行封裝。在完成封裝后，建筑立面上還會存在一些空洞，為提高模型完整性。針對簡單的空洞，可利用Geomagic Studio軟件當(dāng)中完整孔功能直接進行填充。針對面積較大且周圍三角網(wǎng)格較為復(fù)雜的空洞，需要先將周圍雜亂三角網(wǎng)格刪除，再通過塔橋的方式將其轉(zhuǎn)變?yōu)槊娣e較小的空洞，并按照上述方式進行填充[8]。利用軟件中的優(yōu)化函數(shù)，可以有效地減小三角形網(wǎng)格的數(shù)目，而不會對表面的細節(jié)和色彩造成任何的影響，從而實現(xiàn)對多邊形網(wǎng)格的自動修復(fù)和對網(wǎng)格模型的優(yōu)化。

在上述操作基礎(chǔ)上，在不影響曲面細節(jié)或顏色的前提下，對建筑立面點云測繪模型進行簡化。通過簡化多邊形指令，可以有效地減小三角形網(wǎng)格數(shù)量，簡化模型的建立。選擇三角形計數(shù)、選擇固定邊界、選擇曲率優(yōu)先等，選擇了70%的稀疏度，在多邊形中添加了點，減少了運算時間。

1.3 生成建筑立面圖

在構(gòu)建建筑立面點云測繪模型后，生成建筑立面圖。利用點云作為原始資料來繪制立面圖像，其準確度與點云的準確度基本一致，垂直面之比為1∶1。這種方法可以較好地反映建筑物的結(jié)構(gòu)特征。但是點云的數(shù)據(jù)非常龐大，CAD所占的空間非常小，所以需要對數(shù)據(jù)進行分段，再利用 AutoCAD進行繪制。在實際繪制建筑立面圖時，可結(jié)合下述兩種方式，根據(jù)實際情況進行選擇。第一種：基于三維模型，對建筑立面模型中的各個要素進行提取。該方法采用計算機提取點、線和測量數(shù)據(jù)，形成立面圖，并采用 AutoCAD對提取出的要素進行自動繪制，并對其進行分析。第二種：通過平面投影生成建筑立面圖。

利用地理信息處理軟件，對點云模型進行了平面投影，獲取了投影數(shù)據(jù)，并對其進行了提取和繪制。這種方法可以有效地降低點云數(shù)據(jù)中的多點干擾。在前面所采集的點云資料基礎(chǔ)上，采用 AutoCAD軟件，將整個點云與建筑物的坐標(biāo)系統(tǒng)相結(jié)合，并將其與地表圖像相結(jié)合。利用AutoCAD 軟件對 Rcp點云的支持，實現(xiàn)對格式的轉(zhuǎn)換。具體操作步驟為：

第一步，由于建筑立面測繪過程中獲取到的點云數(shù)據(jù)數(shù)量較少，因此可以直接通過軟件將點云數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)變?yōu)閘as格式，并對其坐標(biāo)軸進行定義，將采集到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出；

第二步，采用 Autodesk Recap對點云進行了 LS格式的轉(zhuǎn)換，獲得了 RCP點云的數(shù)據(jù)；

第三步，在軟件當(dāng)中的“附著”功能選項中，完成點云數(shù)據(jù)的加載，實現(xiàn)點云附著；

第四步，點云的 LS格式通過 Autodesk Recap轉(zhuǎn)換成 RCP點云。

圖2為某建筑西面立面圖。

圖2 某建筑西面立面圖

1.4 生成建筑立面三維實體模型

在生成建筑立面圖后，為實現(xiàn)模型從平面到立體的轉(zhuǎn)變，還需要完成對建筑立面三維實體模型的建立。在3ds MAX中輸入 rcp點云數(shù)據(jù)，將其旋轉(zhuǎn)至主視圖，并使用點云和圖表所繪制的圖像，通過“擠出”命令將二維曲面轉(zhuǎn)化為三維實體模型；其次，把它轉(zhuǎn)到最上面，然后用“可編輯的多邊形”命令來改變模型的外形；最后，重復(fù)上述兩步，直至所有視圖與點云尺寸一致。在完成上述操作后，為進一步體現(xiàn)模型的真實性，對模型進行紋理貼圖。采用映射的方式，將紋理通過UV坐標(biāo)映射到建筑立面三維實體模型表面，如圖3所示。

圖3 建筑立面三維實體模型紋理貼圖

通過上述操作進一步提高模型的真實性，從而方便為日后建筑立面日照情況等分析提供更可靠的模型依據(jù)。

2 實驗分析

本次選用的實證分析對象為某地區(qū)老舊城區(qū)改造項目。根據(jù)改造方的描述，此地區(qū)的建筑存在老、舊等特點，已經(jīng)嚴重影響了城市化發(fā)展與建設(shè)工作的規(guī)范化實施。此次改造工作的對象為建筑立面，為保證改造工程的順利實施，應(yīng)在改造施工中，通過建立三維結(jié)構(gòu)模型的方式，為建筑立面改造工作給予理論支撐。

根據(jù)現(xiàn)場勘查方反饋的數(shù)據(jù)可知，該建筑所在地區(qū)的道路全長為4.75 km，路面整體較為狹窄，建筑兩側(cè)覆蓋多層建筑，且建筑沿側(cè)位置的樹木高大，對建筑整體的遮擋較為嚴重，人工測繪作業(yè)面具有人流量、車流量大等特點，因此，決定輔助使用現(xiàn)代化技術(shù)進行待改造建筑立面的測繪研究。

2.1 工作流程

根據(jù)現(xiàn)場測繪單位的設(shè)計與規(guī)劃，將建筑立面測繪工作劃分為四個階段，分別為測繪前的準備工作階段、外業(yè)采集工作階段、內(nèi)業(yè)測繪數(shù)據(jù)處理階段、數(shù)據(jù)匯總與成果展示階段。在前期準備工作中，需要作業(yè)單位根據(jù)測繪作業(yè)要求，進行建筑所在地的現(xiàn)場勘查，確定測繪作業(yè)技術(shù)路線、人員配置方式等。在外業(yè)采集工作階段中，需要確定測繪站點的具體位置，選用合理的激光掃描設(shè)備，并調(diào)試設(shè)備參數(shù)。同時，啟動設(shè)備采集并獲取作業(yè)數(shù)據(jù)，反饋拍攝的影像，實現(xiàn)并完成對外業(yè)數(shù)據(jù)的采集。完成上述處理后，輔助數(shù)據(jù)處理軟件，進行測繪數(shù)據(jù)的拼接、去噪、分割、建模等處理，最終通過三維重建完成對建筑立面的測繪。

為保證測繪結(jié)果的精度，按照表2，進行三維激光掃描儀器技術(shù)參數(shù)的配置。

表2 三維激光掃描儀器技術(shù)參數(shù)配置

參照表3，設(shè)計水平掃描與垂直掃描參數(shù)。

表3 水平掃描與垂直掃描參數(shù)

在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，配置電源設(shè)備、充電設(shè)備等輔助性設(shè)備，避免測繪作業(yè)過程中，由于突發(fā)性異常因素導(dǎo)致的測繪數(shù)據(jù)丟失問題。

2.2 對比實驗

為檢驗此方法在測繪實例中應(yīng)用的效果，使用全站儀進行建筑立面上特征位置與拐角位置的測量，將量測的數(shù)據(jù)與本文方法測繪結(jié)果進行對比，對比結(jié)果見表4。

表4 全站儀量測數(shù)據(jù)與本文測繪方法量測值對比(單位：m)

從表4中所示內(nèi)容可以看出，本文方法在建筑立面測繪中存在一定的誤差，但誤差在-10 mm～+10 mm范圍內(nèi)，屬于可控誤差。

在此基礎(chǔ)上，對位于同一特征線的測繪點進行量測，將測繪結(jié)果數(shù)據(jù)與鋼尺量測結(jié)果進行對比，將其作為本文方法點位測繪精度結(jié)果，見表5。

表5 本文方法點位測繪精度結(jié)果(單位：m)

從上述結(jié)果可知，測繪差值最大為7 mm，最小為3 mm，均實現(xiàn)了將測繪誤差控制在10 mm范圍內(nèi)，由此證實了本文設(shè)計的方法具有極高的精度。

3 結(jié) 論

本文對三維激光掃描技術(shù)在建筑測量中的應(yīng)用進行了較為詳盡的探討?；谌S激光掃描器的基本組成、工作原理和工作流程，結(jié)合不同材質(zhì)、水平角、測距等因素對點云的精確度的影響，提出了一種全新的掃描方案，并對其進行了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和三維建模精度分析。三維激光掃描技術(shù)是伴隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷突破的，通過多種技術(shù)的綜合運用，使建筑的幾何特性得到了最好的體現(xiàn)，既能為建筑工程的相關(guān)工作提供技術(shù)保證，又能為建筑的數(shù)字化、虛擬顯示等奠定基礎(chǔ)。

然而，相對于傳統(tǒng)的測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)還處于起步階段，還存在著很多問題，有待于進一步的研究和改進：

(1) 在點云采集階段：由于原始資料收集過程中有太多的人，造成了一些資料的遮擋，造成了觀測站數(shù)量的增長，造成了資料配準過程中的錯誤積累，因此需要研究如何確保數(shù)據(jù)的準確性；對于具有復(fù)雜紋理特征的大型物體，如何對其紋理特征進行全面采集，如何對點云進行有效的存儲與處理，仍是一個亟待解決的問題。不同的數(shù)據(jù)處理軟件采用的數(shù)據(jù)格式也不盡相同，有些軟件只能提供相應(yīng)的掃描設(shè)備，而不能提供其他點云的信息，因此，還需要在后續(xù)的工作中，進行點云數(shù)據(jù)的快速優(yōu)化，降低數(shù)據(jù)的冗余。

(2) 在建立三維模型的過程中，在構(gòu)造模型的紋理貼圖時，要把三維模型和圖像數(shù)據(jù)有機地結(jié)合起來，以實現(xiàn)建筑模型的真實性。因此，在立面圖的繪制上，可通過對算法的改進，實現(xiàn)建筑物的外觀特征的自動抽取，降低人工成本，實現(xiàn)圖形的自動生成，從而提高數(shù)據(jù)處理的效率。