三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測繪中的應(yīng)用

張 迪

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

由于城市化和現(xiàn)代化的進(jìn)程，許多舊城區(qū)面臨著老化、退化和功能失調(diào)等問題，例如狹窄的街道、老舊的建筑物、交通擁堵等，需重新進(jìn)行城市規(guī)劃和布局。百城建設(shè)提質(zhì)工程主要以推動城市發(fā)展，提升城市品質(zhì)和居民生活水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長和社會進(jìn)步為目的，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，打造宜居、宜業(yè)、宜游的城市環(huán)境，使舊城區(qū)重新煥發(fā)活力，提高居民的生活品質(zhì)，而街道立面改造作為其主要工作內(nèi)容之一可以有效改善街道整體視覺效果，提升城市形象[1-3]。立面圖測繪可為規(guī)劃和設(shè)計提供準(zhǔn)確的建筑信息和外觀表達(dá)，如建筑物的形狀、比例、空間關(guān)系等，幫助決策者和設(shè)計師更好地理解和評估舊城區(qū)的現(xiàn)狀，為建筑設(shè)計、歷史文化研究、市政規(guī)劃等提供重要的依據(jù)和數(shù)據(jù)。然而，傳統(tǒng)的立面測繪方法往往依賴于全站儀、經(jīng)緯儀外業(yè)測量和測量員進(jìn)行繪制，耗時耗力且容易出現(xiàn)誤差。三維激光掃描技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地獲取建筑物表面的大量測量點，生成高密度的三維點云數(shù)據(jù)。通過對點云數(shù)據(jù)的處理和分析，可以實現(xiàn)建筑物立面的幾何建模、形態(tài)分析和細(xì)節(jié)提取等操作，實現(xiàn)快速、高精度的測繪，大大提高了立面圖測繪效率和精度。

1 相關(guān)技術(shù)理論

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是一種基于激光原理的測量方法，在建筑、工程、文物保護(hù)、制造業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)通過激光器發(fā)射脈沖激光束照射到目標(biāo)物體表面，通過測量激光的反射時間或相位差，計算出每個點的三維坐標(biāo)信息。這些坐標(biāo)可以表示為點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和配準(zhǔn)，可以生成具有幾何形狀的三維模型。三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、快速、精確的特點，能夠在短時間內(nèi)獲取大量高質(zhì)量的幾何數(shù)據(jù)，為現(xiàn)實世界的物體和環(huán)境提供了高精度的數(shù)字表示，支持可視化、分析、設(shè)計等應(yīng)用。通過三維激光掃描技術(shù)，可以實現(xiàn)對復(fù)雜物體的準(zhǔn)確測量和建模，為相關(guān)行業(yè)提供了更高效、精確和可靠的解決方案[4-5]。

1.2 立面圖測繪技術(shù)

立面圖測繪技術(shù)是一種通過對建筑物立面進(jìn)行測量和繪制，以獲取建筑物外形、結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)信息的測繪方法，通過使用測繪儀器和軟件，結(jié)合實地勘測和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠準(zhǔn)確捕捉建筑物立面的形態(tài)、尺寸和比例關(guān)系，并反映建筑物的設(shè)計和構(gòu)造，該技術(shù)在建筑設(shè)計、工程施工和城市規(guī)劃等領(lǐng)域具有重要意義。

2 測區(qū)概況及點云數(shù)據(jù)處理

2.1 測區(qū)概況

此次實驗對象為某偏僻破舊臨街兩層建筑，為改善當(dāng)?shù)鼐用裆顥l件，改變城市面貌，提升城市綜合承載能力，應(yīng)當(dāng)?shù)胤抗懿块T要求進(jìn)行建筑物立面圖測繪工作，為后期施工提供建設(shè)依據(jù)和方便工程造價核算。經(jīng)皮尺粗測目標(biāo)建筑東西長約17.5 m，南北寬約22.5 m，建筑物底部至最高處11 m，建筑物整體老舊，西面為沿街店鋪，北面為巷道用于出入通行，建筑物周身廣告牌、電線、遮雨棚等搭建嚴(yán)重，且北面為一棟老式住宅，相鄰不足10 m，現(xiàn)場通視效果極差，給傳統(tǒng)作業(yè)帶來諸多不便，傳統(tǒng)測量方式設(shè)站困難，因此，應(yīng)用三維激光掃描儀采集外業(yè)點云數(shù)據(jù)。測區(qū)實景照片如圖1所示。

圖1 目標(biāo)建筑實景照片

2.2 三維激光掃描儀精度評定分析

案例選用Trimble TX8三維掃描儀，掃描速度100萬點/秒，大測程120 m或340 m，在120 m測程范圍內(nèi)，其測距精度達(dá)到2 mm，激光等級1類，掃描視場360°×317°。為確保掃描儀的精度，提供更可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提升數(shù)據(jù)處理和分析的可靠性和準(zhǔn)確性，此次還對掃描儀進(jìn)行精度評定，相關(guān)指標(biāo)見表1[6-8]。

表1 三維激光掃描精度指標(biāo)體系

對照基準(zhǔn)選擇的是Leica Axyz經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于測角、量距的前方空間交會原理的精密測量原理，能夠用兩架以上的配套電子經(jīng)緯儀直接得到量測點的三維坐標(biāo)，而且相對定向能達(dá)到1″，絕對定向能達(dá)到3×10-3mm，精度極高，為三維激光掃描儀器的檢測提供了較好的解決途徑。

（1）絕對精度評定。三維激光掃描無法和全站儀一樣直接測量獲取掃描點坐標(biāo)，本文在每個站點布設(shè)5個平面靶標(biāo)，通過靶標(biāo)中心擬合獲得中心點坐標(biāo)，并與電子經(jīng)緯儀測量結(jié)果對比，掃描儀測站距離統(tǒng)一設(shè)定為100 m，每站中誤差結(jié)果見表2。

表2 掃描點絕對位置精度統(tǒng)計表 單位：mm

根據(jù)表2精度統(tǒng)計結(jié)果可以看出，平面點位中誤差和高程中誤差一般在2 mm左右，空間點位中誤差為2.8 mm，所有中誤差均不超過3 mm，能夠滿足立面測量點位精度要求。

（2）相對精度評定。相對誤差評定主要以6組5個靶標(biāo)，且每組隨機抽取3個靶標(biāo)，擬合靶標(biāo)中心坐標(biāo)進(jìn)行相互間相對位置、間距、高程差和間距，共進(jìn)行了18組數(shù)據(jù)計算，見表3。

表3 掃描點相對位置誤差 單位：mm

根據(jù)表3相對評定結(jié)果可以看出，檢測點相對位置、間距、高程和空間間距中誤差均在1.5～2 mm，精度較高。綜合對Trimble－TX8三維激光掃描儀的絕對精度和相對精度評定結(jié)果可知，在100 m范圍內(nèi)，其測距精度在2 mm左右，能夠滿足一般立面圖測繪應(yīng)用要求。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)建筑物立面圖測繪的主要步驟包括準(zhǔn)備工作、設(shè)備設(shè)置、掃描操作、數(shù)據(jù)處理、立面圖生成和數(shù)據(jù)驗證等操作和步驟。首先確定測量區(qū)域范圍，將三維激光掃描儀安裝在適當(dāng)?shù)奈恢貌⒃O(shè)置好相關(guān)參數(shù)，確保設(shè)備能夠全面掃描建筑物的立面；然后將掃描得到的激光點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到點云處理軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；再基于點云插件，建立建筑物三維模型，并將三維模型轉(zhuǎn)換為二維立面圖，包括墻面、窗戶、門等細(xì)節(jié)，并標(biāo)注尺寸和其他必要信息；最后對生成的立面圖進(jìn)行驗證和校對，與實際建筑進(jìn)行比對，確保測繪結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集測站布設(shè)方案如圖2所示，首先進(jìn)行實地踏勘，明確掃描的范圍和現(xiàn)場遮擋情況，同時收集附近可用的控制點和水準(zhǔn)點等數(shù)據(jù)，若控制點數(shù)不足4個，則需根據(jù)CJJ/T 8—2011《城市測量規(guī)范》、GB 50026—2007《工程測量規(guī)范》、CH/Z 3017—2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范要求布設(shè)平高控制點，由于本次實驗對目標(biāo)建筑絕對坐標(biāo)要求不高，因此，應(yīng)用GPS-RTK采集控制點坐標(biāo)，方便后期進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于本次只對建筑物西、南兩個面進(jìn)行改造，測區(qū)范圍較小，因此計劃布設(shè)3個測站，點云數(shù)據(jù)采集從建筑物西北角開始，逆時針進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集。為保證后期不同測站點云數(shù)據(jù)拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，還需要進(jìn)行相鄰測站靶標(biāo)布設(shè)工作，靶球擺放要均勻布置，且避免在同一高度或同一平面內(nèi)的情況出現(xiàn)，防止坐標(biāo)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)較大偏差[9]。

圖2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集測站布設(shè)方案

外業(yè)建筑物點云數(shù)據(jù)獲取完成后，要想提取出有用的點云信息并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)以供后續(xù)分析和應(yīng)用，需進(jìn)行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理。首先進(jìn)行點云配準(zhǔn)，將不同掃描位置的點云數(shù)據(jù)對齊到一個全局坐標(biāo)系中，本項目主要應(yīng)用靶球特征匹配進(jìn)行點云配準(zhǔn)；然后進(jìn)行點云去噪處理，將因系統(tǒng)誤差、環(huán)境干擾或掃描設(shè)備噪聲引起的離群點或噪聲進(jìn)行濾波處理；再進(jìn)行點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將相對坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)爻鞘凶鴺?biāo)系下，方便統(tǒng)一規(guī)劃管理；最后進(jìn)行點云分割，目標(biāo)物體或區(qū)域可能需要進(jìn)行分割和提取。預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 預(yù)處理后的目標(biāo)建筑物點云數(shù)據(jù)

3 三維模型重建及精度分析

3.1 三維模型重建

三維模型重建借助的是Undet插件，主要可對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行清理、分割、分類、擬合等操作，并能基于點云生成三維模型。首先在SketchUp軟件中安裝并啟動Undet插件，并點擊Undet插件的工具欄中的“點云轉(zhuǎn)換”功能，本文導(dǎo)入原始點云數(shù)據(jù)格式為.las，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后為.ipcp格式；再基于插件將.ipcp格式點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SketchUp軟件，再根據(jù)點云數(shù)據(jù)的特征，對目標(biāo)建筑進(jìn)行分解，并使用SketchUp軟件的基本建模工具（如線段、面、三維形狀等）創(chuàng)建目標(biāo)形狀。為保證模型精度，在建模過程中需利用Undet插件的點云對齊工具，將點云數(shù)據(jù)與創(chuàng)建的基礎(chǔ)形狀進(jìn)行對齊，確保模型與點云數(shù)據(jù)吻合。最后根據(jù)需要，使用SketchUp軟件的相關(guān)工具添加細(xì)節(jié)，如空調(diào)外機、窗戶、卷簾門、臺階等，以提升和完善三維模型效果。本文建立的目標(biāo)建筑三維模型效果如圖4所示[10-14]：

圖4 基于點云和建模軟件建立的三維模型

3.2 立面圖繪制

文章立面圖繪制是基于建立的三維模型基礎(chǔ)上，首先在SketchUp軟件中可以通過旋轉(zhuǎn)、縮放和平移視圖等操作，使模型在畫面中展示出最佳的角度和比例；然后點擊菜單欄中的“文件”，選擇一個適合的導(dǎo)出文件格式，由于需要將自動生成的線畫圖導(dǎo)入到CAD軟件進(jìn)行潤色，因此選擇導(dǎo)出格式選擇為.dwg格式，并設(shè)置導(dǎo)出的線條粗細(xì)、線型、顏色以及背景色等屬性，指定導(dǎo)出路徑和文件名導(dǎo)出線畫圖。最后再使用CAD軟件對二維線畫圖進(jìn)行調(diào)整圖層、設(shè)置線型、添加標(biāo)注和尺寸、進(jìn)行圖形修飾、添加文字和注釋等處理，以使線畫圖更清晰、準(zhǔn)確和美觀，達(dá)到預(yù)期效果。本文繪制好的建筑物立面效果如圖5所示[15]。

圖5 建筑物立面效果圖

3.3 成果精度分析

為驗證文章提出方法立面成果的精度，使用全站儀對實際建筑進(jìn)行了測量，并選擇窗戶、門、墻面、廣告牌和樓梯等特征物作為參照物，最后將測量數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

表4 三維模型外立面數(shù)據(jù)檢核表 單位：cm

每個特征區(qū)域選擇五組特征點距進(jìn)行偏差計算，中誤差計算公式如式（1）所示[16-18]：

式中：L為實測長度，σl為檢查點單位權(quán)重誤差，n為檢測次數(shù)。

通過計算得出，除了墻面目標(biāo)4外，模型立面數(shù)據(jù)與實測值的差值均不超過5 cm，且計算出中誤差為2.84 cm，不超過3 cm，精度較高，研究結(jié)果表明利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物立面測繪能夠達(dá)到設(shè)計部門的精度要求。

4 結(jié)語

城市數(shù)字化建設(shè)飛速發(fā)展，臨街老舊建筑立面測繪作為建筑物改建、擴建工程設(shè)計和施工的依據(jù)，其相關(guān)工作尤為重要。文章針對三維激光掃描技術(shù)在立面圖測繪中應(yīng)用展開了研究，對點云數(shù)據(jù)的采集、點云預(yù)處理、立面圖的制作以及整體解決方案等都進(jìn)行了論述。研究結(jié)果表明該方法具有很強的適用性，有效避免傳統(tǒng)立面測量效率低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以保證、人力物力投入大等痛點問題，從而為老舊街區(qū)保護(hù)和更新改造提供新思路，具有較好的借鑒和推廣價值。