三維激光掃描儀在建筑物立面繪制中的應(yīng)用研究

(江西理工大學(xué)，建筑與測(cè)繪工程學(xué)院 江西 贛州 341000)

前言

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)外城市形象的展示以及城市公共環(huán)境品質(zhì)的提高逐漸被人們所重視。建筑立面是指建筑和建筑的外部空間直接接觸的界面，以及其展現(xiàn)出來(lái)的形象和構(gòu)成的方式，或稱建筑內(nèi)外空間界面處的構(gòu)件及其組合方式的統(tǒng)稱。建筑物立面包含豐富直觀的細(xì)節(jié)信息，是建筑物三維建模中不可或缺的組成部分。

建筑物的立面特征主要包括建筑物的輪廓特征、點(diǎn)特征。建筑物的輪廓特征主要有門窗、空調(diào)等。在圖像信息中，根據(jù)點(diǎn)可以構(gòu)成線和面，點(diǎn)特征是否定位準(zhǔn)確，決定了是否可以有效的將建筑物立面信息正確的映射到最終的效果圖上，實(shí)現(xiàn)可視化顯示。本文探討一種利用地面三維激光掃描儀獲取建筑物立面點(diǎn)云，然后將其二維平面化，利用CAD繪制建筑物立面特征線，將其可視化。

一、三維激光掃描儀工作原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(一)工作原理。三維激光掃描儀是一個(gè)內(nèi)含掃描棱鏡的快速激光測(cè)距儀，不需要反射棱鏡即可精確測(cè)得掃描點(diǎn)的三維位置，而且掃描速度可達(dá)數(shù)萬(wàn)點(diǎn)每秒。

通過(guò)儀器的激光反射器發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭的中心，并被旋轉(zhuǎn)式鏡頭反射，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，通過(guò)激光的位移數(shù)據(jù)被測(cè)量，從而反映出激光與物體之間的距離。最后用編碼器來(lái)測(cè)量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度，以獲得每一個(gè)點(diǎn)的x、y、z值。利用三維激光掃描系統(tǒng)能夠在幾分鐘內(nèi)獲取詳盡、高精度的三維立體影像數(shù)據(jù)建筑物立面可視化繪制。

(二)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1.地面三維激光掃描儀擺脫了傳統(tǒng)測(cè)量手段全站儀、水準(zhǔn)儀等儀器所必備的棱鏡、標(biāo)尺等輔助設(shè)備，其無(wú)需接觸目標(biāo)區(qū)域，就可以進(jìn)行全方位測(cè)量，提高了外業(yè)工作效率。2.地面三維激光掃描儀無(wú)需繪制草圖，只需進(jìn)行外業(yè)掃描工作，在內(nèi)業(yè)進(jìn)行對(duì)目標(biāo)區(qū)域的取舍，然后完成繪制任務(wù)。3.利用激光進(jìn)行掃描工作，因此可以進(jìn)行全天候的工作任務(wù)，無(wú)論在雨天還是夜晚都可以進(jìn)行作業(yè)。

二、建筑物立面的可視化

本文方法流程如圖1所示。其中建筑物立面點(diǎn)云平面化是關(guān)鍵，其精度關(guān)系后續(xù)建筑物立面特征線的繪制精度。

圖1 技術(shù)流程

(一)數(shù)據(jù)獲取和配準(zhǔn)。在利用地面三維激光掃描儀獲取目標(biāo)建筑物的立面信息，應(yīng)根據(jù)所選擇的儀器本身的性能，確保所選擇的的測(cè)站能完全覆蓋測(cè)區(qū)范圍，尤其是高層建筑物的頂層；確保站站之間有一定的重疊度，以保障站與站之間的點(diǎn)云密度，方便內(nèi)業(yè)處理時(shí)的配準(zhǔn)工作。

(二)數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)采集完成后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去燥工作，去除不需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(刪除如行人、植被等數(shù)據(jù))。接著需要將站與站之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，先選擇同名特征點(diǎn)的配準(zhǔn)方法進(jìn)行粗配準(zhǔn)，再采用ICP自動(dòng)精配，提高配準(zhǔn)精度。

(三)建筑物立面繪制。將配準(zhǔn)以后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行平面投影，鎖定建筑物的一個(gè)平面進(jìn)行繪制立面圖，旨在排除目標(biāo)區(qū)域上其他點(diǎn)云的干擾。將投影后的目標(biāo)區(qū)域點(diǎn)云直接導(dǎo)入AutoCAD中，對(duì)目標(biāo)區(qū)域上的特征輪廓進(jìn)行繪制。

三、實(shí)驗(yàn)與分析

(一)項(xiàng)目概況。掃描區(qū)域是一棟高層住宅性建筑物，主要目的是對(duì)該建筑進(jìn)行快速的側(cè)臉，從而快速得到該建筑物的立面圖，從而對(duì)比設(shè)計(jì)之初與建成之后的相比偏差，為后期修繕提供數(shù)據(jù)參照。

掃描區(qū)域基本情況有：①建筑物立面信息較多，且部分區(qū)域建筑被植被遮蔽；②掃描區(qū)域位于馬路邊，行人、車輛較多。

(二)立面圖繪制。利用本文的建筑物立面圖繪制方法，將獲取目標(biāo)建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2(a)所示，導(dǎo)入到AutoCAD中進(jìn)行繪制。由于在三維觀測(cè)模式下，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過(guò)大，進(jìn)行立面圖繪制的時(shí)候，很難切準(zhǔn)特征點(diǎn)、線，且繪制效率較低。因此將其導(dǎo)入到AutoCAD，然后鎖定平面進(jìn)行繪制如圖2(b)所示，排除立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)中非當(dāng)前目標(biāo)面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的干擾，明顯提高了立面圖的繪制效率。圖3所示為該建筑物房屋正面立面圖。

圖2 (a)目標(biāo)區(qū)域的點(diǎn)云

圖2 (b)目標(biāo)區(qū)域的點(diǎn)云

圖3 該建筑物房屋正面立面圖

四、結(jié)論

本文立足于三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，簡(jiǎn)單介紹了地面三維激光掃描儀的工作原理和特點(diǎn)，利用地面三維激光掃描儀的特點(diǎn)完成建筑物立面繪制項(xiàng)目。

相比傳統(tǒng)的立面測(cè)量采用皮尺、測(cè)距儀、全站儀等手段，本文基于三維激光掃描儀提出的作業(yè)方法在外業(yè)工作效率、數(shù)據(jù)精度方面均有較大的提升。