三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用研究

三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用研究

唐宇

梧州市测绘地理信息院 广西 梧州 543002

摘要：相较传统测量方法，三维激光扫描法的应用优势在于其精度较高且具备自动化应用能力，适用领域较广。本文简述了其技术原理与应用方向，并以某工程为例对该技术在建筑立面测绘环节的实际应用进行了深入分析，希望能够为同行业工作者提供一些帮助。

关键词：三维激光扫描技术；建筑；立面测绘；应用

引言：城市发展速度的提升使得人们对于建筑的要求相较以往也有了明显增多，旧城改造、建筑改建等项目陆续展开，此环境条件下对于建筑立面测绘以及台阶平面等测量技术的需求量与日俱增。但从实际测量技术的应用情况来看，传统的测距仪后视全站仪在确定三维坐标后，需要以手工绘制的方式才能获得建筑立面图，不仅耗时长且数据精度较低。而若采用三维激光扫描技术，不仅能够获得准确的点云数据，还能够在无需接触的情况下联系既有数据自动生成立面图，从根本上解决了传统测量精度低与耗时长的问题。

1 技术原理与应用方向

1.1原理

所谓三维激光扫描技术也被称之为实景复制技术，其基础的应用原理为激光测距，并通过联系物体离散点坐标与反射率等信息，构建出被测物体的面、体的三维模型。由于该种技术的特殊性使得其打破了原本的单点测量条件的限制，并在使用环节突显出了其自动化、穿透性以及不接触层级的应用优势，真正从根本上解决了技术发展的瓶颈问题，正因如此，该技术也被称之为测绘领域的又一次技术革命。

1.2方向

自20世纪60年代第一台三维激光扫描仪出现，直至90年代才真正研制出了一款与之匹配的地面激光扫描系统，并将其应用在了高速公路数据测量领域，随着其技术的逐渐成熟，其也被应用于城镇规划环节^[1]。我国的三维激光扫描技术同样处于不断更新与完善阶段，时至今日乐山大佛、故宫以及黄河小浪底模型构建等工作环节，均有扫描技术的应用身影，该技术发展至今，已经成为了地形测量与灾害监控等领域的重要应用技术类型。

2 建筑立面测绘环节的应用实例分析

2.1工程概况

某建筑立面测绘项目属于旧城改造子项目，需要绘制建筑的外立面结构并构建三维模型。其所在位置道路长度约为4千米，其绘制难点在于不仅道路较为狭窄，且两侧建筑高度较低，大树遮挡下难以保证测绘数据的获取精度。若耗费较长时间进行测量，由于来往车辆与人员较多，将造成较为严重的道路拥堵。

2.2工作流程

在本次建筑立面测绘工作过程中，选择应用三维激光扫描技术绘制立面图，可以将其分为准备、外业数据采集、内业数据处理以及最终数据成果实现四个环节。初期准备阶段的任务主要是项目范围内所有资料的收集，且需要对项目背景有充分的了解，以项目的实际需求与技术应用难点为基础，联系现场的踏勘数据以帮助对技术路线予以最终确定，包括人员分配、机械设备安排等，且需要编制严谨的设计方案^[2]；外业数据扫描包含的内容主要为测站位置确定、参数扫描，并在地面三维激光扫描仪的帮助下拍摄影响，数据获取完毕后需要对所获取的数据进行核验；内业数据处理则是以点云处理软件为基础，将其转化为点云数据方可对数据做拼接、查看以及降噪处理，从而构建三维模型；最终数据实现包含了立面绘制、点漫游以及里面切片等，继而达到绘制建筑立体图的目的。

2.3建设环节的关键技术

2.3.1准备阶段

导致点云数据量精准度不足的因素较多，例如被测物体所处环境、扫描仪的自身性能等。因此在执行扫描任务前必须提高对现场环境踏勘环节的重视，并保证扫描仪的选择应用合理性。通过前期踏勘能够发现，现阶段多数测量范围内的人流以上下班高峰时间段为主要集中表现，在局部区域，由于树木较为高达且难以在短时间内避开，再加上这一建设范围内建筑高度通常较矮且整体地形较为平坦，因此最终确定应用具有精度高且操作简单特征的高精度三维激光扫描仪。该仪器的最大测量距离为450米，其测量精度能够控制在8毫米至100米的范围内，具有大于7000万以上的像素，且其频率在每秒50万点以上^[3]。执行此测量任务时，选择的时间段为上午10时至下午3时，避开上下班高峰，以保证获得数据的精准性，并将对该区域所带来的不良影响降到最低。

2.3.2外业数据采集

所获取到的外业点云数据的质量与最终的三维建模质量之间存在着极为紧密的联系，而作为形成噪点的关键因素，人流量的重要性毋庸置疑。实际的外业测量环节，除去错峰手段外也应适当选择应用弹性测量机制，若有行人或车辆在短时间内大量通过应以人为控制数据采集的方式，将扫描仪与被测物之间的距离最大限度的缩减，且需要将测站数量提升。点云拼接环节，一直以来均是数据处理的关键因素，实际测量过程中应确保前后测站重叠度在3成以上，并应保证不同测量站之间存在公共平面。若无设置条件，建议通过粘贴三张以上的标靶纸作为实现云拼接目标的参考。粘贴纸时需要遵循近远兼备与高低错落的原则。设置扫描参数时，应明确其与点云质量之间的紧密联系，其中的激光点频率参数，更是决定了点云拼接准确性与标靶纸的识别距离。此项目中所选择的方法为不同激光点频率设置效果对比法，最终选定点频率为100KHz

^[4]；由于扫码数据量与具体的扫描时长与分辨率的参数设置效果之间存在着紧密联系，因此最终确定垂直分辨率数值为0.0192°，而水平分辨率则设置为0.0048°。在推进后期数据处理环节时，所形成的影像与草图资料均极为重要，是提供纹理信息的重要基础，也是保证数据处理结果准确性的前提条件。此次扫描环节，选择使用数码相机进行拍照，以留影为基础保证了草图绘制的及时性。不仅仅是这一环节，每一站的数据在经过扫描处理后，均需要对所获取到的云数据做全面筛查处理。而对于出现漏测的区域，或是本身影像噪点过多的区域，为保证所获取到数据的准确性，通常需要进行返工重测。

2.3.3内业数据处理

所谓点云拼接实际上就是包含所有站点的扫描数据应用至同一坐标系的过程，其同样也是在内业数据处理阶段，耗时最多、最为复杂的流程，而流程的精确度与最终的成果质量之间存在着紧密联系。本次测绘项目使用的软件由于采用了最近邻迭代配准算法，能够更为方便的将所覆盖的扫描数据依据前后顺序做点云自动拼接处理^[5]。而对于由于受到扫描角度、光照以及环境等因素影响而导致无法完成自动拼接任务的，需要根据标靶纸的具体特征点进行手动拼接。而最终经过对拼接误差的检查，发现拼接误差始终在2厘米以下。最终选择使用CAD实现立面图的绘制目标。

2.3.4扫描精度分析

针对窗户拐角与门的具体坐标，应使用全站仪做现场量测，所获取到的数据经过与轮廓点云数三维坐标数据进行对比后，发现在不对全站仪的精度与测量误差做考虑的情况下，采取三维激光扫描仪所测量的数据精度更高，其对应的测绘精度完全与预期设计要求相符。

结束语：综上所述，三维激光扫描技术的出现真正解决了一直以来传统测量方法费时费力的问题，且在建筑立面测绘环节表现出了极为广阔的发展前景。另外在实际的项目实施环节，应提高对测量时机的把控与噪点去除方法的重视，包括标靶纸粘贴原则。参数设置以及仪器校验等，在有测量条件的情况下建议进行试验以确定所进行工作的科学性与合理性。需要注意的是，三维激光扫描技术在实际应用条件下，通常需要与传统测量设备相配合。

参考文献

[1]张立,宋莉.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].测绘通报,2019,09:152-154.

[2]袁凌云,李慧,李杰,韩维涛.三维激光扫描技术在建筑立面照明设计中的应用[J].测绘通报,2020,01:164-166.

[3]华远峰,王宁,孙博,汪顺喜.基于三维激光扫描技术的建筑外立面测绘方法[J].北京测绘,2020,3404:532-536.

[4]史正军.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].北京测绘,2020,3410:1388-1391.

[5]朱世成.三维激光扫描技术在超高层幕墙定位监测的应用研究[D].西华大学,2020.