三維激光掃描技術在建筑立面測繪中的應用研究

黃曉群

(汕頭市潮南區自然資源測繪中心，廣東 汕頭 515144)

0 引 言

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

1 三維激光掃描技術在建筑立面測繪中的應用

1.1 基于三維激光掃描技術的立面點云數據采集與處理

利用三維激光掃描儀獲取點云數據，并在此基礎上對其進行了掃描，獲得了四個點。假設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解算平面法方程系數；x、y和z代表立面點集當中某一點的空間坐標[3]。通過對所有三維激光掃描點坐標解算，將所有掃描點坐標組成一個矩陣，如下述公式所示：

(2)

式中：n代表三維激光掃描點具體個數。點云數據是構建三維模型的關鍵，為獲取更完整的點云數據，按照圖1所示的流程對數據進行采集。

圖1 建筑立面點云數據采集流程圖

在進行三維立體激光掃描儀時，要像傳統的掃描儀一樣，全面、詳細地了解測區的總體情況，并根據測區周邊環境，畫出一幅野外草圖，以便根據對象的尺寸和障礙物，確定測量點的位置和所需的站點數量，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，再利用數字攝像機對目標進行圖像采集[4]。在完成現場踏勘后，還需要按照實地踏勘繪制的草圖與影像招標，對數據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，根據現場被測繪建筑高度，通過2～3個測站進行數據采集，每一個測點都分別架設在建筑的正對面，每個測站與建筑物之間的距離都應當控制在15～25 m[5]。為確保點云數據精度，還需要對三維激光掃描技術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據的采集后，對獲取到的點云數據進行預處理。按照“原始點云數據”→“點云配準”→“點云去噪”→“點云精簡”→“三維建模及其他應用”的流程完成點云數據預處理[6]。在進行點云去噪時，設置的迭代次數越多，則點云數據集合當中提出的噪聲點數量越多，但標準偏差和軟件的運行耗時都會同時增加[7]。因此，綜合考慮，將迭代次數設置為3次，以此得到最佳的去噪效果。

1.2 構建建筑立面點云測繪模型

在完成對建筑立面點云數據采集與處理后，利用Geomagic Studio軟件對點云數據進行封裝。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軟件當中完整孔功能直接進行填充。針對面積較大且周圍三角網格較為復雜的空洞，需要先將周圍雜亂三角網格刪除，再通過塔橋的方式將其轉變為面積較小的空洞，并按照上述方式進行填充[8]。利用軟件中的優化函數，可以有效地減小三角形網格的數目，而不會對表面的細節和色彩造成任何的影響，從而實現對多邊形網格的自動修復和對網格模型的優化。

在上述操作基礎上，在不影響曲面細節或顏色的前提下，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格數量，簡化模型的建立。選擇三角形計數、選擇固定邊界、選擇曲率優先等，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構特征。但是點云的數據非常龐大，CAD所占的空間非常小，所以需要對數據進行分段，再利用 AutoCAD進行繪制。在實際繪制建筑立面圖時，可結合下述兩種方式，根據實際情況進行選擇。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、線和測量數據，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，獲取了投影數據，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據中的多點干擾。在前面所采集的點云資料基礎上，采用 AutoCAD軟件，將整個點云與建筑物的坐標系統相結合，并將其與地表圖像相結合。利用AutoCAD 軟件對 Rcp點云的支持，實現對格式的轉換。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據數量較少，因此可以直接通過軟件將點云數據的格式轉變為las格式，并對其坐標軸進行定義，將采集到的點云數據導出；

第二步，采用 Autodesk Recap對點云進行了 LS格式的轉換，獲得了 RCP點云的數據；

第三步，在軟件當中的“附著”功能選項中，完成點云數據的加載，實現點云附著；

第四步，點云的 LS格式通過 Autodesk Recap轉換成 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，為實現模型從平面到立體的轉變，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點云數據，將其旋轉至主視圖，并使用點云和圖表所繪制的圖像，通過“擠出”命令將二維曲面轉化為三維實體模型；其次，把它轉到最上面，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。

2 實驗分析

本次選用的實證分析對象為某地區老舊城區改造項目。根據改造方的描述，此地區的建筑存在老、舊等特點，已經嚴重影響了城市化發展與建設工作的規范化實施。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，應在改造施工中，通過建立三維結構模型的方式，為建筑立面改造工作給予理論支撐。

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

2.1 工作流程

根據現場測繪單位的設計與規劃，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、外業采集工作階段、內業測繪數據處理階段、數據匯總與成果展示階段。在前期準備工作中，需要作業單位根據測繪作業要求，進行建筑所在地的現場勘查，確定測繪作業技術路線、人員配置方式等。在外業采集工作階段中，需要確定測繪站點的具體位置，選用合理的激光掃描設備，并調試設備參數。同時，啟動設備采集并獲取作業數據，反饋拍攝的影像，實現并完成對外業數據的采集。完成上述處理后，輔助數據處理軟件，進行測繪數據的拼接、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。

為保證測繪結果的精度，按照表2，進行三維激光掃描儀器技術參數的配置。

表2 三維激光掃描儀器技術參數配置

參照表3，設計水平掃描與垂直掃描參數。

表3 水平掃描與垂直掃描參數

在上述內容基礎上，配置電源設備、充電設備等輔助性設備，避免測繪作業過程中，由于突發性異常因素導致的測繪數據丟失問題。

2.2 對比實驗

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

表4 全站儀量測數據與本文測繪方法量測值對比(單位：m)

從表4中所示內容可以看出，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，屬于可控誤差。

在此基礎上，對位于同一特征線的測繪點進行量測，將測繪結果數據與鋼尺量測結果進行對比，將其作為本文方法點位測繪精度結果，見表5。

表5 本文方法點位測繪精度結果(單位：m)

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

3 結 論

本文對三維激光掃描技術在建筑測量中的應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，結合不同材質、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，并對其進行了后續的數據處理和三維建模精度分析。三維激光掃描技術是伴隨著測繪技術的不斷發展而不斷突破的，通過多種技術的綜合運用，使建筑的幾何特性得到了最好的體現，既能為建筑工程的相關工作提供技術保證，又能為建筑的數字化、虛擬顯示等奠定基礎。

然而，相對于傳統的測量技術，三維激光掃描技術還處于起步階段，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據的準確性；對于具有復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。不同的數據處理軟件采用的數據格式也不盡相同，有些軟件只能提供相應的掃描設備，而不能提供其他點云的信息，因此，還需要在后續的工作中，進行點云數據的快速優化，降低數據的冗余。

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