三維激光點云在建筑物立面測繪與制圖中的應(yīng)用研究

【摘 " "要】：針對老舊建筑外立面提升改造過程中暴露的傳統(tǒng)建筑外立面測量方法自動化程度低、復(fù)雜建筑物細部輪廓信息采集不完整和效率低下等問題，基于三維激光掃描技術(shù)，闡述了數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理與立面制圖相關(guān)的技術(shù)方法和流程、作業(yè)過程中的注意事項，結(jié)合實際案例，驗證了三維激光掃描技術(shù)可以高效地實現(xiàn)建筑立面測繪。

【關(guān)鍵詞】：建筑外立面測量；三維激光掃描技術(shù)；點云處理；立面制圖

【中圖分類號】：TU198 【文獻標(biāo)志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）04-71-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.04.017

Research on the Application of 3D Laser Point Cloud in Building Facade

Measurement and Mapping

WANG Ning，YI Heng，HUA Yuanfeng

（Tianjin Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co. Ltd.， Tianjin 300201，China）

【Abstract】：Aiming at problems reveled in the process of upgrading and renovating facades of old buildings， such as low automation， incomplete collection of complex building detailed contour information， and low efficiency of "traditional building facade measurement methods. Based on 3D laser scanning technology， this article elaborates on the methods and processes of data collection and office data processing， as well as the precautions during the operation process. Combined with practical cases， it is indicated that 3D laser scanning technology can efficiently achieve building elevation surveying and mapping.

【Key words】：measurement of building facades； 3D laser scanning technology；point cloud processing；facade drawing

立面數(shù)據(jù)對建筑物的修復(fù)、改造、裝修和重建非常重要。然而，由于一些建筑物建成年代久遠，相關(guān)設(shè)計及改擴建等資料已經(jīng)丟失或不完整；因此，精確繪制建筑物的外立面特征和裝修情況具有重要價值[1]。傳統(tǒng)的建筑物立面測量主要使用全站儀免棱鏡來獲取建筑物關(guān)鍵位置的三維坐標(biāo)，結(jié)合皮尺、測距儀等工具來測量細部結(jié)構(gòu)尺寸，以外業(yè)草圖和照片為補充資料進行內(nèi)業(yè)制圖。當(dāng)建筑物的外立面裝飾結(jié)構(gòu)異形時，傳統(tǒng)的測量方法無法進行精確量測[2]。

三維激光掃描是一種全自動高精度立體采集技術(shù)，具有全自動、無接觸、快速及高精度獲取物體表面三維坐標(biāo)信息的特點[3]。通過激光脈沖，三維激光掃描技術(shù)可以實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)大面積、高分辨率地快速采集被測目標(biāo)。由于具有高精度、高效率和自動化的優(yōu)勢，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究和工程實踐中[4～8]。三維激光掃描所得到的點云數(shù)據(jù)是一系列大量的三維坐標(biāo)點的集合。在點云中，可以存儲各種被測目標(biāo)的屬性信息，例如真彩色、反射率信息等。利用高密度、高精度的點云數(shù)據(jù)，再結(jié)合相關(guān)制圖軟件，可以快速準(zhǔn)確地制作建筑物的立面圖[9]。

1 立面測量與制圖的技術(shù)流程

利用三維點云數(shù)據(jù)進行建筑外立面制圖時，作業(yè)流程見圖 1。

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案

目前，三維激光掃描點云控制坐標(biāo)系的構(gòu)建方式主要有兩種：一種是借助標(biāo)靶的點云測站拼接方法，直接利用至少3個標(biāo)靶球及掃描儀的架設(shè)點坐標(biāo)，完成掃描坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[10]；另一種是無標(biāo)靶方式，利用相鄰掃描儀測站至少4個公共地物點及掃描儀架設(shè)點坐標(biāo)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文采用無標(biāo)靶方式進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)先進行資料收集和現(xiàn)場踏勘，判斷測區(qū)內(nèi)交通及環(huán)境等因素對掃描作業(yè)的影響，根據(jù)建筑物或地形條件，選取適當(dāng)?shù)膾呙柙O(shè)站位置，從多個視角對目標(biāo)進行掃描，要保證相鄰掃描站之間有一定的重疊度及目標(biāo)建筑物紋理特征信息的采集。同時外業(yè)人員應(yīng)利用相機采集建筑物的影像信息，便于判讀建筑物的細部特征及制圖。

1.2 點云數(shù)據(jù)處理方案

1.2.1 點云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

三維激光點云數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，應(yīng)先進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，內(nèi)容包括：對目標(biāo)建筑物的掃描是否有遺漏；點云重疊度是否滿足后續(xù)處理的需求；單站掃描數(shù)據(jù)是否受車輛、行人等因素影響而存在遺漏。檢查無誤后方可進入下一步數(shù)據(jù)處理。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在掃描過程中，激光束由于受到浮塵、玻璃、水面等介質(zhì)的漫反射、折射作用，在空中、玻璃背面、水面下方等位置可能存在明顯的錯誤點，即噪點[11]。進行點云拼接之前，應(yīng)對噪點加以剔除，否則將影響后期生成產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.2.3 點云拼接

三維激光點云處理軟件選擇RISCAN PRO軟件。由于掃描儀的每測站點云數(shù)據(jù)均為獨立的掃描坐標(biāo)系，因此需要對多視角的點云數(shù)據(jù)進行人工拼接。

進行點云拼接時，選擇3個或以上構(gòu)網(wǎng)條件較好的測站作為固定測站，將固定測站的坐標(biāo)視為不變，將“自由”測站的點云數(shù)據(jù)通過4個或以上公共點與其相鄰固定測站的點云拼接在一起，然后再通過旋轉(zhuǎn)測站的方式將全部點云拼接為一個整體[12]。

1.2.4 點云數(shù)據(jù)平差及擬合

點云數(shù)據(jù)拼接只是粗拼接，拼接精度較差，不能直接使用，還需要通過點云數(shù)據(jù)的平差及擬合處理。目前，RISCAN PRO軟件采用的是ICP最近點迭代算法（Iterative Closest Point）[13]，以點集對點集配準(zhǔn)方法為基礎(chǔ)，當(dāng)測量點集中確定其對應(yīng)的最近點點集后，運用迭代計算方法計算新的最近點點集，直到殘差平方和所構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)值不變，結(jié)束迭代過程。

平差前，選擇點云拼接時構(gòu)網(wǎng)條件較好的固定站，鎖定其坐標(biāo)不參與平差，只讓其繞Z軸旋轉(zhuǎn)。通過多次迭代平差后，就可以將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至全局坐標(biāo)系中。

1.2.5 點云切割

點云數(shù)據(jù)經(jīng)過平差及擬合后，還有很多冗余數(shù)據(jù)，因此需要對其進行進一步的切割，即僅保留目標(biāo)建筑物的點云數(shù)據(jù)。

1.3 立面圖繪制

外立面繪圖采用AutoCAD軟件。繪制前需要先進行點云格式轉(zhuǎn)換，利用AutoCAD ReCap軟件將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為AutoCAD支持的RCP格式；然后根據(jù)項目需求及目標(biāo)建筑物特征定義立面坐標(biāo)系。

1）首先，利用CAD的截平面功能將建筑物的立面點云數(shù)據(jù)截取出來，再利用建筑物立面的房角、墻角等尺寸特征點定義投影面，建立立面坐標(biāo)系，并將視角調(diào)至此立面方向。

2）遵循“先整體，后局部”的順序逐步繪制。先繪制出建筑物外立面的結(jié)構(gòu)線，再對門、窗、設(shè)備和造型等細節(jié)部分進行繪制。

3）根據(jù)外業(yè)拍攝的照片，對立面圖進行完善，查看有無遺漏或繪制錯誤，是否需要外業(yè)補充掃描。

2 實例分析

2.1 項目概況

天津某建筑物外裝飾面年代久遠，需要修復(fù)；但由于建設(shè)年代較早，建筑設(shè)計圖紙已丟失，為滿足相關(guān)設(shè)計工作需要，需對建筑外立面進行測量。建筑物周邊主要為多層建筑、市政道路等，車流量及行人較多。見圖2。

2.2 外業(yè)立面測量

為了保證成果數(shù)據(jù)的精度及外業(yè)工作的便捷性，采用TIEGL VZ-1000架站式三維激光掃描儀進行立面數(shù)據(jù)采集。VZ-1000具有輕便、堅固耐用、架設(shè)簡單、無需標(biāo)靶等優(yōu)點，角分辨率高達0.000 5°，掃描精度5 mm（100 m距離處，一次單點掃描）。

為了在點云處理階段盡量減少人為干預(yù)，所以在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時應(yīng)注意：

1）掃描站應(yīng)設(shè)置在視野開闊，地面穩(wěn)定的安全區(qū)域，設(shè)站數(shù)量盡量少；

2）相鄰掃描站間有效點云的重疊度不低于30%；

3）目標(biāo)建筑物的4個立面和4個轉(zhuǎn)角均應(yīng)設(shè)置掃描站，結(jié)構(gòu)復(fù)雜或通視困難的情況下應(yīng)適當(dāng)增加掃描站；

4）掃描結(jié)束后，應(yīng)將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，檢查點云數(shù)據(jù)覆蓋范圍完整性和可用性，對缺失和異常數(shù)據(jù)，應(yīng)及時補掃。

外業(yè)耗時1 d、投入2人，共設(shè)置了8個掃描站，為滿足內(nèi)業(yè)繪圖需要，每個測站進行掃描作業(yè)時還同步利用配套相機采集了紋理信息。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理軟件RISCAN PRO通過專業(yè)的設(shè)計，優(yōu)化了內(nèi)業(yè)工作的流程并提供完善的可視化檢測工具，保證了采集數(shù)據(jù)的完整性，可以很好地對TIEGL VZ-1000掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理、拼接、裁切等操作。

受目標(biāo)建筑物周邊環(huán)境條件限制，共采集了5個設(shè)站點坐標(biāo)，選擇構(gòu)網(wǎng)條件較好的3個掃描站為固定站，建立全局坐標(biāo)系，通過旋轉(zhuǎn)拼接為一個整體，其余“自由”掃描站再通過至少4個公共點與相鄰固定測站的點云拼接在一起。見圖3。

所有點云數(shù)據(jù)粗拼接完成后需進行多次迭代平差及擬合才能得到精確的點云數(shù)據(jù)。先鎖定3個固定站的X、Y、Z坐標(biāo)不參與平差，放開角元素，構(gòu)建全局坐標(biāo)基準(zhǔn)，依次類推，將其余“自由”測站逐步迭加到已拼接完成的點云數(shù)據(jù)上，直至所有測站完成。

拼接完成的點云數(shù)據(jù)含有大量不需要的冗余數(shù)據(jù)，因此需先進行點云裁切后再導(dǎo)出LAS格式的點云成果。見圖4。

目標(biāo)建筑物點云提取完成后，利用AutoCAD ReCap軟件將點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為AutoCAD支持的RCP格式，將轉(zhuǎn)換后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AutoCAD軟件中進行立面圖制作。見圖5。

根據(jù)目標(biāo)建筑物外立面特征，利用房屋輪廓線分別在4個立面方向上定義投影。為避免對向立面的點云數(shù)據(jù)干擾繪圖，利用AutoCAD的“截面平面”工具，分別截取對應(yīng)立面的點云數(shù)據(jù)，然后直接利用線化工具進行矢量化。見圖6和圖7。

2.4 精度分析

為檢驗建筑物立面圖的精度，在已有設(shè)站點上利用全站儀對建筑物特征點進行采集，用卷尺測量門、窗等構(gòu)件的邊長，共采集了8個邊長數(shù)據(jù)，每條邊測量3次取平均值，對4個外立面均進行檢測。見表1。

激光掃描點云數(shù)據(jù)邊長中誤差為0.034 m，可以滿足相關(guān)設(shè)計工作需要。由此可以得出，三維激光掃描儀的測量精度可以滿足建筑物外立面圖的測圖精度要求，而且極大提高了外業(yè)工作效率，節(jié)約了大量資源。

3 結(jié)語

近年來，隨著測繪技術(shù)不斷更新和發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在測繪行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。本文著重論述了RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀測量建筑物外立面的技術(shù)流程，并通過實例分析驗證了三維激光掃描技術(shù)相較于傳統(tǒng)立面測量手段的優(yōu)勢，其快速高效的數(shù)據(jù)采集能力和高精度的測量結(jié)果，為建筑物外立面的修繕和改造提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，具有極大的實用性和推廣價值，將在建筑測繪領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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