基于三維激光掃描技術的建筑物立面測繪及成果精度評定

龔良雄，趙興友，朱鋒博

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

1 引 言

傳統建筑物立面測量方法主要依靠作業人員利用皮尺、測距儀等原始測量儀器，對測區范圍內建筑物立面尺寸進行數據采集，測量方法存在以下幾方面的不足：①人工作業成本較大；②作業方式不靈活、效率低；③外業工作量大、耗時長，使得立面測量外業工作不能順利開展。

隨著科學技術的發展，三維激光掃描技術的出現使得人們可以對復雜的空間環境以及物體進行三維掃描，可以直接獲取各種復雜、不規則、大型、不可接觸的物體或者環境三維空間數據，進而快速地構建出目標物體的三維模型以及其他各種矢量制圖數據[1～3]，廣泛地應用于測繪、虛擬仿真、逆向工程等不同的領域。為此，本文探討了將地面三維激光掃描技術運用到建筑物立面測繪項目中，闡述了具體的作業流程，繪制了建筑物立面圖，同時對立面圖精度進行評定，結果表明：地面激光掃描立面測繪成果精度符合規范要求。

2 地面三維激光掃描立面測繪流程

如圖1所示，為地面三維激光掃描建筑物立面測繪流程技術流程。

技術流程主要分為三個階段：①數據采集準備階段；②數據采集、處理階段；③精度評定。數據采集準備階段的主要工作是實地踏勘、資料收集以及制定相應的工作技術方案。數據采集包括建筑物點云與影像數據采集，數據處理包括影像與點云配準，掃描站點間點云相互配準，然后利用全站儀采集適量的同名點數據，同名點選取需要考慮點位數量以及點位布設位置，盡量均勻分布整個測區。將相對坐標系變換到相應的城市獨立坐標系當中，最后進行立面圖繪制。精度評定階段主要對剛體變換后點云平面位置及高程精度進行評定，并以此判定立面測繪成果是否可靠、是否滿足規范要求。

圖1 地面三維激光掃描立面測繪流程技術流程

3 工程實踐與成果精度評定

受南昌市新建區城市投資發展有限公司委托，于2017年9月22日開始對南昌市新建區長征路(烏石橋-陸軍學院)提升改造工程建筑物立面測量工作，測區包括長征東路、長征西路以及與長征路所交叉部分道路，測區東西向全長約 4.539 km，寬約 33 m～39 m，建筑物立面測量主要對建筑物立面的窗戶、空調罩、真石漆、涂料、店招等進行測量，并繪制建筑物立面示意圖。

3.1 數據采集

數據采集之前應進行實地勘察、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，按下儀器的開機鍵，在進入掃描屏幕之前儀器會自動進行預熱和自檢，之后用戶可以在掃描參數設置界面中設置掃描參數，設置參數之后，掃描儀自動采集點云和影像數據。對于遮擋或漏測建筑物，可采取針對性的補掃方式。在掃描儀采集數據的同時，利用全站儀極坐標法獲取建筑物同名點坐標，以便進行剛體變換，并采集適當數量的同名點，評定點云數據精度。現場數據采集如圖2所示。

圖2 現場數據采集

3.2 點云數據處理

數據處理采用儀器配套的JRC Reconstructor軟件，通過導入所采集的外業數據(*.zfs)，軟件可實現去噪、無標靶拼接、精拼接等一系列自動操作，點云配準采用迭代最近點算法(ICP)。配準后的點云數據質量較大程度上依賴于專業技術人員的數據處理經驗和專業知識[4]，配準采用人機交互方式進行，粗配準利用軟件自動配準，作業人員根據配準結果，若配準精度較高，直接利用軟件配準結果，若配準精度達不到項目要求，選取適量的同名特征點以便重新配準。根據項目要求，配準誤差控制在 1 cm以內即可滿足。長征路全長約為 4.6 km，點云數據量巨大，若全部點云進行配準耗時很長，因此將獲取的長征路點云數據分為三個標段分別進行點云數據配準，同時減小了配準誤差的累積。三個標段點云配準精度如表1所示。應委托方要求，還需將點云數據的掃描儀坐標系轉換為地理坐標系，因此還需將點云數據進行剛體變換，利用全站儀獲取的同名點數據，進行剛體變換，配準以及剛體變換后點云如圖3所示。

點云配準精度表 表1

圖3 點云局部效果圖

3.3 立面圖繪制

點云數據處理完成后，可進行立面圖的測制。本文采用二維模式下平面投影測制立面方法，大致原理是將點云模型通過相關軟件的投影功能進行平面投影處理，從而得到投影后的平面點云數據，然后在平面點云數據上繪制立面圖形。具體方法是利用配準及剛體變換后的整體染色點云，使用Recap 360軟件將原始染色點云數據格式轉換為*.rcp格式，在AutoCAD 2014中通過設置相應的用戶坐標系(UCS)，進行線劃圖繪制并制定比例。建筑物立面效果圖對比如圖4所示。

圖4建筑物立面效果圖對比

3.4 精度評定

建筑物立面圖繪制之后，對建筑物立面測繪成果進行了精度評定。由于目前沒有相關規范規定立面測繪成果平面位置及高程精度，因此參考工程測量規范，點云平面精度及高程精度如表2所示。

點云中誤差 表2

注：此表來源于《工程測量規范》中5.1.5-3表

選取長征路均勻分布的9個檢查點評定點云數學精度，平面及高程精度分析表如表3所示。

計算如下：

點云平面及高程中誤差統計表 表3

平面位置中誤差為：

高程中誤差為：

由評定結果可知，點云平面位置及高程精度均滿足《工程測量規范》要求，證明了本項目建筑物立面測繪成果的可靠性。

4 結 語

本文結合地面三維激光掃描系統特點及優勢，將其應用到建筑物立面測繪項目中，并闡述了點云數據處理流程及處理方法，繪制了建筑物立面圖，最后對立面測繪成果進行了精度評定，評定結果表明：本項目立面測繪成果符合有關規范要求。與傳統測量技術相比，地面三維激光掃描技術外業數據采集效率很高，但其在數據處理方面流程較為煩瑣，并且應用成本較高。長征路建筑物立面測量項目共計79棟建筑物，外業采集時間僅用了 5 d，若采用傳統測圖技術，僅數據采集階段就耗時很長。

本文結合地面三維激光掃描技術特點及優勢，將其應用到建筑物立面測繪項目中，對點云精度進行了精度評定，雖然數據精度方面滿足相關規范要求，但該技術手段應用于建筑物立面測繪仍在某些方面存在不足：①如數據采集過程中受其他地物遮擋影響較大；②點云數據量巨大并且數據處理方面效率不高；③數據采集過程中受建筑物層高影響較大，高層建筑物頂部細節不夠豐富；④建筑物立面特征提取自動化程度不高，主要依靠人工處理；⑤應用成本較高。但隨著地面三維激光掃描技術的不斷發展，這些不足將會得到一定程度上的改善。