地面三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應用

浙江省統一征地事務辦公室 吳義正

地面三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應用

浙江省統一征地事務辦公室 吳義正

地面三維激光掃描技術的出現是以三維激光掃描系統的誕生為代表，是繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命，它使測繪數據的獲取方法、服務能力與水平、數據處理方法等進入新的發展階段。三維激光掃描測量技術克服了傳統測量技術效率低、信息損失大、專業性難以推廣的缺點，能對任何物體進行掃描，快速高效地將現實世界的環境信息轉換成易于處理的數據，最大程度的還原了真實社會環境，具有信息量豐富、直觀可視、便于使用、擴展性強的特點。在建筑物立面測量領域，三維激光掃描測量技術的出現和發展，克服了傳統建筑立面測量的局限性，它不再是利用皮尺、測距儀等簡單工具進行建筑物長寬高的測量模式，而是能對建筑物進行無接觸、快速、高精度掃描，同時將獲得的點云信息快速轉換成計算機可以處理的數據的高效測量方式。解決了建筑物立面數據人工采集時所帶來的精度損失、效率損失等問題，尤其是解決了高層建筑物立面元素無法量測的問題。

一、地面三維激光掃描儀工作原理及技術優勢

（一）工作原理

地面三維激光掃描系統主要由三部分組成：掃描儀、控制器(計算機)和電源供應系統。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統和激光掃描系統，同時也集成CCD和儀器內部控制和校正系統。三維激光掃描系統根據測距原理不同分為脈沖式掃描系統、相位式掃描系統和三角測量式掃描系統。目前市場流行的地面三維激光掃描儀主要是脈沖式，脈沖式測距由于激光的發散角小，激光脈沖持續時間極短，瞬時功率極大，因而測距范圍可以達到幾百米，甚至上千米。脈沖式三維激光掃描儀通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉，將激光脈沖發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域，測量每個激光脈沖從發出經被測物表面再返回儀器所經過的時間(或者相位差)來計算距離，同時內置精密時鐘控制編碼器，同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值。激光掃描系統的原始觀測數據除了兩個角度值和一個距離值，還有掃描點的反射強度，兩個角度值和一個距離值用于計算掃描點的三維坐標值，反射強度用來給反射點匹配顏色。拼接不同站點的掃描數據時，需要用公共點進行變換，以統一到同一個坐標系統中。

圖1 作業流程圖

（二）技術優勢

在建筑物立面測量作業中，三維激光掃描技術與全站儀等單點采集三維數據的方法相比：

1.對被測目標要求不同

全站儀只能測量反射棱鏡所在位置的點位坐標，被測物體必須是棱鏡能夠到達的地方，難以對危險區域或測量人員難以到達的區域進行測量。而三維激光掃描不需要接觸被測物體就可以工作。

2.對觀測環境的要求不同

全站儀因為需要瞄準棱鏡，必須在白天或者較明亮的地方進行測量。而三維激光掃描測量可以全天候的進行測量。

3.測量精度不同

三維激光掃描儀和全站儀的單點定位精度都是毫米級的，三維激光描儀的定位精度比全站儀略低，但是目前部分全站式三維激光掃描儀已經可以達到全站儀的精度，滿足立面測量的精度是足夠的。

4.獲取數據的量不同

全站儀只能夠有限度地獲取目標的特征點。而三維激光掃描儀可以獲取高密度的觀測目標的海量數據，采樣速率高，對目標的描述細致。

二、技術路線

本文結合杭州市某新農村立面測量項目，提出地面三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的作業流程，如圖1所示。

(一)點云數據獲取

1.儀器參數

本次掃描采用Leica ScanStaion C10掃描儀，基本參數如下：

測量精度：點位精度6mm、距離精度4mm、模型表面精度2mm。

測程：0.1-300m 。 掃描視場：360°×270°。

掃描速率：50000點/秒。

2.控制測量與測站布設

地面三維激光掃描外業控制可視測區具體情況采用相對定位與絕對定位兩種方式。本次外業的測區為房屋密集地區，測區外圍省級CORS站信號覆蓋良好，內部由于房屋密集GPS信號較弱，因此本次作業控制測量采取外圍布設控制點，內部采取支站的方式進行。

地面三維激光掃描作業測站布設應當能夠完全覆蓋測區范圍，站站之間距離應能夠保證一定的點云重疊度。由于建筑物密集且建筑物之間的間隙很小，因此本次掃描作業采取在建筑物四個角點均布設測站的方式。

（二）點云數據處理

1.點云數據預處理與配準

點云數據預處理與配準采用徠卡公司的配套處理軟件Cyclone。將外業采集的數據導入Cyclone軟件，各站數據需要通過公共點進行拼接，由于本次掃描作業擁有地面控制成果，因此可通過軟件自動對各站點云數據進行拼接配準。拼接完成的點云數據還需進行統一化處理，目的在于將模型空間里的多塊點云合成為一個單一有效的點云。配準后的點云數據如圖2所示。

圖2 建筑點云圖

2.點云切割與空間坐標系建立

經過統一化的點云數據是包含測站范圍內所有地物三維坐標信息的整體數據，通過切割點云可以獲得各個獨立建筑物的有效數據。為了使得各建筑物各立面數據能夠正確投影到二維平面上，需以建筑物立面數據為依據建立空間坐標系。單體子集點云如圖3所示。

圖3 單體點云數據圖

圖4 立面矢量化描繪圖

（三）立面圖繪制

立面圖通常采用AutoCAD軟件繪制，通過CloudWorx插件可以完美實現Cyclone與AutoCAD的連接。將處理完成的建筑物點云數據加載到AutoCAD中，通過三維靜態顯示可以切換到建筑物各個立面，在平面上進行矢量化描繪，如圖4所示。將描繪完成的立面圖附以俯視圖與建筑物現場照片即可輸出建筑物立面測繪成果，如圖5所示。

圖5 立面圖

三、結語

本文立足測繪新技術的應用，介紹了地面三維激光掃描儀的原理與技術特點。結合杭州市某新農村立面測繪項目對地面三維激光掃描儀運用于立面測繪領域的技術優勢、路線進行了詳細的闡述。地面三維激光掃描儀快速、準確、高效等技術優勢在建筑物立面測繪領域得到充分的展現，取得了較好的成效。

地面三維激光掃描儀的出現與工程化應用必將改變傳統測繪作業模式，提高作業效率。地面三維激光掃描儀采集的激光點云數據不僅僅可以在立面測繪領域應用，它也可以用于建筑物三維建模、城市日照分析等領域。相信隨著技術的發展，規范的完善，地面激光掃描儀必將在測繪領域發揮越來越大的作用。