三維激光技術(shù)在建筑物外立面測(cè)量中的應(yīng)用

彭勁松，葉 波，李 娟，周光明

(1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005； 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

建筑物立面測(cè)量是老房改造工程中的重要工作，也是打造城市名片、亮化街區(qū)工作的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的建筑物立面測(cè)量利用免棱鏡全站儀獲取建筑物關(guān)鍵位置三維點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合卷尺及測(cè)距儀量取細(xì)部尺寸，人工繪制草圖，并使用高清相機(jī)拍攝建筑物外立面紋理照片。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，克服了傳統(tǒng)建筑立面測(cè)量的局限性，它不再是利用皮尺、測(cè)距儀等簡單工具進(jìn)行建筑物長寬高的測(cè)量模式，而是能對(duì)建筑物進(jìn)行無接觸、快速、高精度掃描，同時(shí)將獲得的點(diǎn)云信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)的高效測(cè)量方式，解決了建筑物立面數(shù)據(jù)人工采集時(shí)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?zé)o法量測(cè)的問題。

1 基于三維激光技術(shù)的立面測(cè)量方案

1.1 技術(shù)路線

建筑物外立面測(cè)量的主要工作包括：對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)房屋的平面位置定位，窗臺(tái)、基礎(chǔ)標(biāo)高、屋頂高度等要素進(jìn)行測(cè)量，并繪制立面圖。借助三維激光掃描儀進(jìn)行外立面測(cè)量的工藝流程主要包括內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩部分，具體工作步驟如圖1所示。

圖1 基于三維激光技術(shù)的立面測(cè)量的技術(shù)路線

1.2 硬件設(shè)備

HS系列高精度三維激光掃描儀是海達(dá)數(shù)云完全自主研發(fā)的脈沖式、全波形、高精度、高頻率三維激光掃描儀，配套中海達(dá)自主研發(fā)的全業(yè)務(wù)流程三維激光點(diǎn)云處理系列軟件，具備測(cè)量精度高、點(diǎn)云處理效率高、成果應(yīng)用多樣化等特點(diǎn)，參數(shù)為：①激光等級(jí)： 1級(jí)；②最遠(yuǎn)掃描距離：1200 m；③數(shù)據(jù)獲取速度：50萬點(diǎn)/s；④測(cè)距誤差：5 mm；⑤雙軸補(bǔ)償器：補(bǔ)償范圍5°，分辨率0.001°；⑥防護(hù)等級(jí)：IP64；⑦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：內(nèi)置固態(tài)硬盤存儲(chǔ)器容量240 GB；⑧提供高清單反相機(jī)連接口，集成高清單反相機(jī)。

1.3 配套軟件

HDScene是為地面站三維激光掃描儀專門設(shè)計(jì)的配套數(shù)據(jù)處理軟件。軟件處理硬件采集所輸出的數(shù)據(jù)，主要功能包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、視圖顯示(三維、平面、快速、草圖、拼接視圖)、點(diǎn)云拼接(草圖拼接、特征點(diǎn)面拼接、自動(dòng)面拼接及優(yōu)化拼接)、點(diǎn)云處理與分析、點(diǎn)云影像配準(zhǔn)與著色等。

2 立面測(cè)量項(xiàng)目案例

2.1 項(xiàng)目概況

為滿足相關(guān)勘測(cè)院工作需求，積極響應(yīng)拓展相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的新興業(yè)務(wù)，海達(dá)數(shù)云基于地面激光掃描技術(shù)承接了一系列建筑立面測(cè)量項(xiàng)目。在廈門市某小區(qū)外立面改造測(cè)量項(xiàng)目中，海達(dá)數(shù)云利用激光掃描儀進(jìn)行建筑物立面測(cè)制，快速、準(zhǔn)確地為相關(guān)設(shè)計(jì)單位提供了基礎(chǔ)立面圖，如圖2所示。

圖2

2.2 項(xiàng)目要求

采用三維激光掃描儀對(duì)小區(qū)立面整治項(xiàng)目范圍內(nèi)的建筑外立面進(jìn)行三維數(shù)字化測(cè)量，獲得項(xiàng)目范圍內(nèi)的點(diǎn)云模型及彩色數(shù)字正射影像圖。技術(shù)服務(wù)方式為現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和后期測(cè)繪圖紙繪制。提供的數(shù)據(jù)成果為點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DWG格式文件、立面測(cè)繪圖電子文件及紙質(zhì)文件，并滿足圖片清晰、數(shù)據(jù)詳明的要求。所提供的點(diǎn)云整體拼接精度小于1 cm，滿足立面整治施工圖繪制和工程量計(jì)算的要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集

(1) 利用地面三維激光掃描儀實(shí)施掃描時(shí)，主要采用兩種方法：①采用電腦控制激光掃描儀進(jìn)行掃描，該方法可根據(jù)測(cè)量范圍設(shè)定單站掃描起止角度(掃描之前應(yīng)了解儀器零角度方向)，掃描完后可以在電腦中直接觀察掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量。②采用儀器直接采集，掃描時(shí)務(wù)必注意測(cè)站順序。該模式對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量無法在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視，但是作業(yè)效率高。如圖3所示。

圖3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

(2) 數(shù)據(jù)處理及配準(zhǔn)采用HD Scene軟件，可采用兩種方法：①選擇同名特征點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，至少要選擇4個(gè)同名點(diǎn)；②人工交互式移動(dòng)測(cè)站粗配，再采用ICP算法自動(dòng)精配，提高配準(zhǔn)精度。

(3) 由于測(cè)區(qū)樹木較多，需分多站掃描，設(shè)站時(shí)應(yīng)滿足以下要求：①以盡量少的測(cè)站覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，選取400 m以上測(cè)距，同時(shí)使用較大的角分辨率減少數(shù)據(jù)量；②將測(cè)站設(shè)在較高位置正對(duì)樓房掃描，以獲取較多目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)避免產(chǎn)生盲區(qū)，使用RTK 或全站儀準(zhǔn)確采集測(cè)站的外部坐標(biāo),用于后續(xù)配準(zhǔn)拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。如圖4所示。

圖4 單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.4 內(nèi)業(yè)成果

利用處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制立面圖，可采用兩種方法:立體模式特征點(diǎn)提取(三維量測(cè))、平面投影描圖模式。如圖5、圖6所示。

圖5 依據(jù)點(diǎn)云繪制輪廓線初步正面成果

外業(yè)的查漏補(bǔ)缺采用鋼卷尺、測(cè)距儀、全站儀，對(duì)于大面積缺漏的，采用激光掃描儀補(bǔ)測(cè)。根據(jù)照片外業(yè)調(diào)繪、外業(yè)補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)在HdPtVector中進(jìn)行制圖。如圖7所示。

圖6 初步側(cè)面成果

圖7 繪制立面圖

3 作業(yè)模式對(duì)比與優(yōu)勢(shì)分析

3.1 作業(yè)模式對(duì)比

在建筑物立面測(cè)量作業(yè)中，三維激光掃描儀與全站儀等單點(diǎn)采集三維數(shù)據(jù)的方法相比，有以下不同：

(1) 被測(cè)目標(biāo)不同。傳統(tǒng)方式只能測(cè)量反射棱鏡所在位置的點(diǎn)位坐標(biāo)，被測(cè)物體必須是棱鏡能夠到達(dá)的地方，難以對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域或測(cè)量人員難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量；而三維激光掃描不需要接觸被測(cè)物體就可以工作。

(2) 觀測(cè)環(huán)境不同。傳統(tǒng)方式因?yàn)樾枰闇?zhǔn)棱鏡，必須在白天或較明亮的地方進(jìn)行測(cè)量；而三維激光掃描測(cè)量可以全天候進(jìn)行測(cè)量。

(3) 測(cè)量精度不同。單點(diǎn)定位精度都是毫米級(jí)，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(jīng)可以達(dá)到全站儀的精度，滿足立面測(cè)量的精度。

(4) 獲取數(shù)據(jù)的量不同。傳統(tǒng)方式只能夠有限度地獲取目標(biāo)的特征點(diǎn)；而三維激光掃描儀可以獲取高密度的觀測(cè)目標(biāo)的海量數(shù)據(jù)，采樣速率高，對(duì)物體的細(xì)部描述細(xì)致。

(5) 作業(yè)效率提高。通過實(shí)踐證明，三維激光掃描儀作業(yè)效率相較傳統(tǒng)全站儀方式，效率提升了5倍以上，見表1。

表1 效率對(duì)比

注：樓房密集處，掃描儀是360°掃描效率更高。

3.2 優(yōu)勢(shì)分析

(1) 無需瞄準(zhǔn)：地面激光掃描儀脫離了全站儀、經(jīng)緯儀等儀器所必備的瞄準(zhǔn)器、物鏡和目鏡，自動(dòng)化測(cè)量提高了外業(yè)作業(yè)效率。

(2) 無需草圖連線：外業(yè)數(shù)據(jù)較全，無需繪制草圖，在內(nèi)業(yè)進(jìn)行綜合取舍，完成制圖任務(wù)，不必再去現(xiàn)場(chǎng)。

(3) 無透視投影變形：攝影測(cè)量技術(shù)中相片的拍攝是透視投影，產(chǎn)生了較為明顯的變形，而激光掃描儀類似全站儀直接獲取距離和角度，因此其點(diǎn)位無投影變形。

(4) 聯(lián)合CAD測(cè)圖：可直接依據(jù)點(diǎn)云繪制點(diǎn)、線發(fā)送至CAD工具欄，其中包括繪制2D和3D點(diǎn)、線到CAD，設(shè)置發(fā)送坐標(biāo)等。該工具能夠?qū)⒉杉亩S多段線對(duì)象傳送到AutoCAD軟件中，方便測(cè)圖人員快速采集二維的線狀要素。

4 結(jié) 語

本文立足測(cè)繪新技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合廈門市立面改造項(xiàng)目，利用地面三維激光掃描技術(shù)的全天候、高效、準(zhǔn)確等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)工作者完成了一系列建筑立面測(cè)量項(xiàng)目，并取得了較好的成效。

傳統(tǒng)立面測(cè)繪方式(如采用皮尺、測(cè)距儀等)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)必須繪制草圖，對(duì)于無法測(cè)量的地方采用目測(cè)。基于地面三維激光掃描儀提出的作業(yè)方法改變了傳統(tǒng)作業(yè)模式，在數(shù)據(jù)采集效率和成圖精度上均有較大提高，尤其是減小了異形建筑立面測(cè)量的內(nèi)外業(yè)工作量。