基于三维激光扫描技术的建筑物立面测量

基于三维激光扫描技术的建筑物立面测量

孙霞

辽宁省城乡建设规划设计院有限责任公司  辽宁省沈阳市  110000

摘要:近年来，我国城市发展建设迈入存量更新阶段，因而对城市形象、品位和优化市民生活环境需求都有了更高的要求。在存量改造和更新的大背景下，旧城、棚户区与城中村、老旧街区景观综合提升等建设项目随之而来，统称为旧城改造。建筑物外立面整饰作为城市更新微改造的主要工作，立面测量数据的完整性、时效性和精确性成为衡量城市更新微改造效果的关键，传统测绘手段大多数情况下还是通过全站仪及尺寸量测等方法，在旧城改造设计方面存在数据精度不够、数据采集不够完整、高处数据采集时存在一定安全风险等诸多不足。

关键词：立面测绘；三维点云；三维激光扫描仪

中图分类号： P234文献标识码：A

引言

建筑立面图是建筑物在与其立面平行的投影面上所得的正投影图，精确绘制的立面图可以清晰地反映建筑物的外部特征，是城市市容规划改造、古建筑外部装修重建等工程中施工设计的关键依据。传统测量方法一般通过全站仪极坐标单点测量的方式，对建筑物各个立面的特征点进行数据采集，局部区域还需借助皮尺、测距仪等工具进行人工测量，存在耗时长、费用高、效率低、精度无法保证等缺点，给立面测绘增加了很大难度。无人机航测虽然能快速获取建筑物三维信息，但在数据采集、数据处理、数据精度上都存在相关问题，且精度难以保证。

1 三维激光扫描技术

目前，市场上有多种三维激光扫描仪，在工程应用中各有特点。本文基于Faro聚焦仪。Faro focus系列三维激光扫描仪是美国Faro公司近年来开发的一种新型仪器。其测量原理是激光束通过发射传输到透镜中心，激光通过透镜的高速旋转辐射到目标物体。接触物体后，激光位移数据及时反馈给扫描仪，获得激光与物体之间的距离，然后利用调制技术和角度编码器测量透镜和扫描仪的旋转角度，得到每个激光点的三维坐标。操作前，应检查设备的仪表组件是否完整，操作是否正常，电池容量和存储容量是否足够。当环境条件相对恶劣时，应提前预热仪器，以避免背光拍摄。作业时，扫描应均匀布设，设置在视野开阔、稳定的安全区域，合理的测站可减少数据的冗余，利于后期数据处理，开始作业时要根据站点到目标的距离，精度要求设置好扫描仪的扫描范围、采集分辨率才开始扫描，每站间的点云重叠率≥20% ，区域分块扫描时，相邻点云数据的重叠度≥10% 。标靶布设是确保多站数据完整拼接的基础，在每站扫描仪的有效视场内标靶布设要合理，避免盲区的建立，盲区会加大后期建模难度，其精度也会下降，要减少重复扫描区域，重复区域过多，既增加扫描工作量，又增加后期点云处理以及建模的工作量。

2 建筑物平面与立面成果图制作流程

1）根据项目需要，对项目的所有数据进行整理和汇总，完成项目的具体测量规划，然后进行实地调查，验证项目测量规划的可行性，包括建筑平面图和标高数据的收集、现场测量以及每栋待测建筑标高照片的拍摄和编号。2） 当项目区域满足测量条件时，将进行现场数据收集。三维激光扫描建筑立面数据采集主要包括建筑立面点云数据采集。如有必要，还需要全站仪、卷尺和其他辅助辅助测量的帮助。根据各建筑物立面的特点，在选定位置设置三维激光扫描仪，对齐找平，测量仪器高度，设置合理的扫描密度和扫描距离进行三维激光扫描测量，一次完成单个建筑物或多个建筑物的三维激光扫描。3） 数据采集完成后，将每个测量站的数据导入计算机，使用匹配点云数据处理软件对每个测量站的云进行登记，并将登记后的每个测量站的云拼接成一个整体。4） 将建筑各立面的点云导入清华汕尾EPS三维测绘软件，结合建筑立面照片和点云描述建筑平面和立面，完成建筑平面和立面结果的制作。

3 基于三维激光扫描技术的建筑物立面测量

3.1 点云数据采集

在使用RTC360进行点云数据采集时，主要使用的是其VIS功能和智能拼接功能。RTC360利用其分布于四周的5个相机，可以对测站进行视觉追踪，辨别测站的行进方向，并进行测站的定位。配合IMU实时计算两个连续站点间的相对位置，通过智能拼接功能可对测区内的测站实现扫描过程中的实时自动拼接，极大地提高了工作效率。扫描作业时，基于IMU的倾斜补偿和其内置的测高仪，RTC360无须整平可直接进行测量。为了保证拼接精度，每站扫描保持20%以上重叠度，扫描时需按照现场的实际情况控制测站间的距离，测站间距一般控制在10 m～50 m之间，视野受限时可适当减小测站间距，为避免扫描盲区，在地下空间转角处应设站扫描。扫描单个地下空间时，其内部扫描的控制点或导线点的个数应不少于3个。扫描控制点和导线点时，可进行多方位的扫描，这样可以有效地提高整体的精度。在光照条件极差的环境中，RTC360的VIS功能失效，可用徕卡FIELD 360软件进行测站的实时关系连接，并且可以通过该软件实时查看扫描成果，实现对数据质量的检查。

3.2 外业数据采集

1）根据现场调查结果，不需要在地面上布设目标和地面控制点，而是直接使用扫描仪自己的坐标系进行激光数据采集，选择地面要素的特征点进行点云数据拼接，并使用RTC360激光扫描仪自己的坐标系进行点云结果。2）按照单机操作扫描模式扫描社区内的建筑物。扫描范围为仪器安装点的全景扫描，扫描分辨率设置为基本分辨率（10 cm×100 cm），对于详细特征要求较高的区域，可以手动调整扫描分辨率。3）将三维激光扫描仪的入射角控制在55°以内，确保扫描点云数据的配准精度，同时还要保证测站之间的重叠率大于60%，对于扫描困难区域，要求测站之间的重叠率不能小于30%。最终在整个小区范围内完成了30站的激光扫描。借助扫描仪自带的误差消除功能，可保证测站之间的处理误差小于5 mm。为了避免二次返工，可使用单反像机采集扫描区照片信息，作为数据储备用于内业测站数据拼接和成图标注。

3.3 土方量计算环节

地面三维激光测量技术不仅可以应用于地形测量，还可以应用于工程土方测量。土方量是指建设项目开挖、填筑和运输过程中的土壤总量。它在项目开发过程中发挥着重要作用，其准确性直接影响到相关建设项目的质量。在将地面三维测量技术应用到该环节时，首先需要根据工程的实际需要，对土方填挖量进行计算，借助激光技术，收集道路的纵横断。其次在收集边坡以及道路纵横断等各种信息，按照相关的技术指标构建曲面模型，从而将建筑的整体需求展现在模型中，这样一来，相关建筑人员就能够根据模型得到准确而全面的数据，从而降低工程建设环节难度。最后就是将曲面模型和地面模型按比例进行增减计算，激光技术就可以通过计算机以及相关软件计算出土方的量，从而核算土方量是否一致，保证工程的顺利实行。

结束语

通过项目的具体实践，进一步掌握了三维激光扫描技术在建筑工程行业中的应用，利用该技术方案改变了传统房地测量外业实测的作业模式，将外业测量工作大部分转移到内容，极大地提高了作业效率，缩短了作业时限。三维建模对计算机硬件要求较高，后期需优化建模算法以降低配置要求，以便后期推广。

参考文献

[1] 臧伟，钱林，孙宝军，等.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].北京测绘，2015（3）：130-135.

[2] 袁达．利用三维激光扫描进行建筑物立面测量的精度分析［J］．测绘与空间地理信息，2018，41( 11) : 216－218．

[3] 李文国．三维激光扫描技术和低空无人机在异形建筑竣工测量中的应用[J]．城市勘测，2019(4):108-111.