基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面測(cè)繪及成果精度評(píng)定

龔良雄，趙興友，朱鋒博

(1.南昌市測(cè)繪勘察研究院，江西 南昌 330013； 2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079)

1 引 言

傳統(tǒng)建筑物立面測(cè)量方法主要依靠作業(yè)人員利用皮尺、測(cè)距儀等原始測(cè)量?jī)x器，對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)建筑物立面尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量方法存在以下幾方面的不足：①人工作業(yè)成本較大；②作業(yè)方式不靈活、效率低；③外業(yè)工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，使得立面測(cè)量外業(yè)工作不能順利開展。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)使得人們可以對(duì)復(fù)雜的空間環(huán)境以及物體進(jìn)行三維掃描，可以直接獲取各種復(fù)雜、不規(guī)則、大型、不可接觸的物體或者環(huán)境三維空間數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速地構(gòu)建出目標(biāo)物體的三維模型以及其他各種矢量制圖數(shù)據(jù)[1～3]，廣泛地應(yīng)用于測(cè)繪、虛擬仿真、逆向工程等不同的領(lǐng)域。為此，本文探討了將地面三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用到建筑物立面測(cè)繪項(xiàng)目中，闡述了具體的作業(yè)流程，繪制了建筑物立面圖，同時(shí)對(duì)立面圖精度進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明：地面激光掃描立面測(cè)繪成果精度符合規(guī)范要求。

2 地面三維激光掃描立面測(cè)繪流程

如圖1所示，為地面三維激光掃描建筑物立面測(cè)繪流程技術(shù)流程。

技術(shù)流程主要分為三個(gè)階段：①數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備階段；②數(shù)據(jù)采集、處理階段；③精度評(píng)定。數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備階段的主要工作是實(shí)地踏勘、資料收集以及制定相應(yīng)的工作技術(shù)方案。數(shù)據(jù)采集包括建筑物點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理包括影像與點(diǎn)云配準(zhǔn)，掃描站點(diǎn)間點(diǎn)云相互配準(zhǔn)，然后利用全站儀采集適量的同名點(diǎn)數(shù)據(jù)，同名點(diǎn)選取需要考慮點(diǎn)位數(shù)量以及點(diǎn)位布設(shè)位置，盡量均勻分布整個(gè)測(cè)區(qū)。將相對(duì)坐標(biāo)系變換到相應(yīng)的城市獨(dú)立坐標(biāo)系當(dāng)中，最后進(jìn)行立面圖繪制。精度評(píng)定階段主要對(duì)剛體變換后點(diǎn)云平面位置及高程精度進(jìn)行評(píng)定，并以此判定立面測(cè)繪成果是否可靠、是否滿足規(guī)范要求。

圖1 地面三維激光掃描立面測(cè)繪流程技術(shù)流程

3 工程實(shí)踐與成果精度評(píng)定

受南昌市新建區(qū)城市投資發(fā)展有限公司委托，于2017年9月22日開始對(duì)南昌市新建區(qū)長(zhǎng)征路(烏石橋-陸軍學(xué)院)提升改造工程建筑物立面測(cè)量工作，測(cè)區(qū)包括長(zhǎng)征東路、長(zhǎng)征西路以及與長(zhǎng)征路所交叉部分道路，測(cè)區(qū)東西向全長(zhǎng)約 4.539 km，寬約 33 m～39 m，建筑物立面測(cè)量主要對(duì)建筑物立面的窗戶、空調(diào)罩、真石漆、涂料、店招等進(jìn)行測(cè)量，并繪制建筑物立面示意圖。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集之前應(yīng)進(jìn)行實(shí)地勘察、制定掃描方案、檢查儀器等工作，在地面激光掃描儀接通電源之后，按下儀器的開機(jī)鍵，在進(jìn)入掃描屏幕之前儀器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)熱和自檢，之后用戶可以在掃描參數(shù)設(shè)置界面中設(shè)置掃描參數(shù)，設(shè)置參數(shù)之后，掃描儀自動(dòng)采集點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)。對(duì)于遮擋或漏測(cè)建筑物，可采取針對(duì)性的補(bǔ)掃方式。在掃描儀采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用全站儀極坐標(biāo)法獲取建筑物同名點(diǎn)坐標(biāo)，以便進(jìn)行剛體變換，并采集適當(dāng)數(shù)量的同名點(diǎn)，評(píng)定點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用儀器配套的JRC Reconstructor軟件，通過導(dǎo)入所采集的外業(yè)數(shù)據(jù)(*.zfs)，軟件可實(shí)現(xiàn)去噪、無標(biāo)靶拼接、精拼接等一系列自動(dòng)操作，點(diǎn)云配準(zhǔn)采用迭代最近點(diǎn)算法(ICP)。配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量較大程度上依賴于專業(yè)技術(shù)人員的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)[4]，配準(zhǔn)采用人機(jī)交互方式進(jìn)行，粗配準(zhǔn)利用軟件自動(dòng)配準(zhǔn)，作業(yè)人員根據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果，若配準(zhǔn)精度較高，直接利用軟件配準(zhǔn)結(jié)果，若配準(zhǔn)精度達(dá)不到項(xiàng)目要求，選取適量的同名特征點(diǎn)以便重新配準(zhǔn)。根據(jù)項(xiàng)目要求，配準(zhǔn)誤差控制在 1 cm以內(nèi)即可滿足。長(zhǎng)征路全長(zhǎng)約為 4.6 km，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，若全部點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)耗時(shí)很長(zhǎng)，因此將獲取的長(zhǎng)征路點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為三個(gè)標(biāo)段分別進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，同時(shí)減小了配準(zhǔn)誤差的累積。三個(gè)標(biāo)段點(diǎn)云配準(zhǔn)精度如表1所示。應(yīng)委托方要求，還需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系，因此還需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剛體變換，利用全站儀獲取的同名點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行剛體變換，配準(zhǔn)以及剛體變換后點(diǎn)云如圖3所示。

點(diǎn)云配準(zhǔn)精度表 表1

圖3 點(diǎn)云局部效果圖

3.3 立面圖繪制

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成后，可進(jìn)行立面圖的測(cè)制。本文采用二維模式下平面投影測(cè)制立面方法，大致原理是將點(diǎn)云模型通過相關(guān)軟件的投影功能進(jìn)行平面投影處理，從而得到投影后的平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后在平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)上繪制立面圖形。具體方法是利用配準(zhǔn)及剛體變換后的整體染色點(diǎn)云，使用Recap 360軟件將原始染色點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為*.rcp格式，在AutoCAD 2014中通過設(shè)置相應(yīng)的用戶坐標(biāo)系(UCS)，進(jìn)行線劃圖繪制并制定比例。建筑物立面效果圖對(duì)比如圖4所示。

圖4建筑物立面效果圖對(duì)比

3.4 精度評(píng)定

建筑物立面圖繪制之后，對(duì)建筑物立面測(cè)繪成果進(jìn)行了精度評(píng)定。由于目前沒有相關(guān)規(guī)范規(guī)定立面測(cè)繪成果平面位置及高程精度，因此參考工程測(cè)量規(guī)范，點(diǎn)云平面精度及高程精度如表2所示。

點(diǎn)云中誤差 表2

注：此表來源于《工程測(cè)量規(guī)范》中5.1.5-3表

選取長(zhǎng)征路均勻分布的9個(gè)檢查點(diǎn)評(píng)定點(diǎn)云數(shù)學(xué)精度，平面及高程精度分析表如表3所示。

計(jì)算如下：

點(diǎn)云平面及高程中誤差統(tǒng)計(jì)表 表3

平面位置中誤差為：

高程中誤差為：

由評(píng)定結(jié)果可知，點(diǎn)云平面位置及高程精度均滿足《工程測(cè)量規(guī)范》要求，證明了本項(xiàng)目建筑物立面測(cè)繪成果的可靠性。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合地面三維激光掃描系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到建筑物立面測(cè)繪項(xiàng)目中，并闡述了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程及處理方法，繪制了建筑物立面圖，最后對(duì)立面測(cè)繪成果進(jìn)行了精度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果表明：本項(xiàng)目立面測(cè)繪成果符合有關(guān)規(guī)范要求。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，地面三維激光掃描技術(shù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率很高，但其在數(shù)據(jù)處理方面流程較為煩瑣，并且應(yīng)用成本較高。長(zhǎng)征路建筑物立面測(cè)量項(xiàng)目共計(jì)79棟建筑物，外業(yè)采集時(shí)間僅用了 5 d，若采用傳統(tǒng)測(cè)圖技術(shù)，僅數(shù)據(jù)采集階段就耗時(shí)很長(zhǎng)。

本文結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到建筑物立面測(cè)繪項(xiàng)目中，對(duì)點(diǎn)云精度進(jìn)行了精度評(píng)定，雖然數(shù)據(jù)精度方面滿足相關(guān)規(guī)范要求，但該技術(shù)手段應(yīng)用于建筑物立面測(cè)繪仍在某些方面存在不足：①如數(shù)據(jù)采集過程中受其他地物遮擋影響較大；②點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大并且數(shù)據(jù)處理方面效率不高；③數(shù)據(jù)采集過程中受建筑物層高影響較大，高層建筑物頂部細(xì)節(jié)不夠豐富；④建筑物立面特征提取自動(dòng)化程度不高，主要依靠人工處理；⑤應(yīng)用成本較高。但隨著地面三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，這些不足將會(huì)得到一定程度上的改善。