地面三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測繪中的應用

胡玉祥，李勇，張洪德，王智，2，孟慶年

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

伴隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，利用掃描儀快速獲取三維空間信息，真實還原建筑物的三維實景，成為近幾年迅速發(fā)展的熱門話題。激光掃描儀本身具有很高的測量效率、較高的測量精度、動態(tài)反映物體實景等優(yōu)點，為科學準確地建立數(shù)學模型提供了一種全新的技術(shù)手段。相對傳統(tǒng)的測量方法，三維激光掃描技術(shù)可以在單位時間內(nèi)獲取精度高、數(shù)據(jù)量大的三維空間信息，且可以連續(xù)反映被測物體的空間特征，提高了測量的效率和精度，成為國內(nèi)外研究的熱點[1]。

傳統(tǒng)建筑物立面測量通常是利用全站儀獲取建筑物各角點(特征點)的三維坐標，結(jié)合測距儀等測量手段，獲取建筑物的細部尺寸，然后利用CAD等成圖軟件繪制建筑物立面，生成數(shù)字線劃圖。這種手段投入人力大、測量效率低、工期長、工作量大。針對上述缺點，本文結(jié)合青島市勘察測繪研究院新購置的徠卡新一代高精度三維激光掃描儀P40，探索三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測量中的應用，對P40外業(yè)作業(yè)流程以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理進行了論述，同時對點云提取建筑物特征點、線等精度進行了驗證，結(jié)果表明通過三維激光掃描手段完全可以滿足建筑物立面測繪要求。

2 基礎理論

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。地面三維掃描系統(tǒng)一般使用儀器自定義的坐標系統(tǒng)：坐標原點位于掃描儀中心，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面組成左手坐標系，如圖1所示。

圖1 掃描坐標系

激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號測算出原點O距激光掃描點的距離S；激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精確控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描，測得每個脈沖激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ。由此，可計算出掃描激光點在被測物體上的三維坐標為[2]：

(1)

3 作業(yè)流程

三維激光掃描儀作業(yè)流程主要涉及外業(yè)掃描以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。外業(yè)掃描主要涉及現(xiàn)場踏勘、控制點選埋、標靶布設、架站選擇以及數(shù)據(jù)采集幾部分；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要涉及坐標轉(zhuǎn)換、點云拼接、點云優(yōu)化、點云融合、點云切割以及平立面繪制等環(huán)節(jié)。如圖2所示。

圖2 作業(yè)流程

3.1 外業(yè)掃描

(1)控制點選埋

地面三維掃描系統(tǒng)可以進行絕對掃描和相對掃描，如果外業(yè)掃描過程中給標靶絕對坐標位置，則可以直接獲取建筑物的絕對坐標點云數(shù)據(jù)。這就需要在被掃描建筑物周邊布設一定量的控制點，控制點布設以方便利用為原則：控制點的精度要高于建筑物點云精度要求；一個控制點至少與另一個控制點進行通視。具體控制測量布設遵循《城市測量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)具體要求。

(2)標靶布設

P40在掃描過程中只識別配套的黑白標靶，布設標靶的目的是使整個掃描點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到絕對坐標系中。同時，標靶布設精度影響后續(xù)點云的拼接精度，因而標靶布設要考慮網(wǎng)形。為保證坐標轉(zhuǎn)換精度，公共標靶盡量和測站點不要在一條直線上；標靶和測站必須通視，且距離測站不要太遠，最遠不能超過 75 m。

(3)數(shù)據(jù)采集

P40外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程類似于全站儀操作，大致包括對中整平、儀器安置、掃描參數(shù)設置以及換站等幾個過程。P40主要性能指標如表1所示。

三維激光掃描儀性能參數(shù) 表1

3.2 數(shù)據(jù)處理

(1)坐標轉(zhuǎn)換

如果外業(yè)掃描過程中未使用絕對坐標系，三維激光掃描儀掃描的點云僅是點與點之間的相對位置關系，這就需要坐標轉(zhuǎn)換。坐標轉(zhuǎn)換通過公共點(公共標靶)來計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換過程通常利用布爾莎7參數(shù)模型，即：

(2)

式中，3個平移參數(shù)[△X△Y△Z]T，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)[εXεYεZ]T和1個尺度參數(shù)m，無單位。

(2)點云拼接和優(yōu)化

點云拼接是將多站掃描數(shù)據(jù)拼接到一個整體的過程，一般有兩種方式：基于標靶的拼接和基于點云視圖的拼接。如果各站測量都是絕對坐標系下掃描得到的，則不需要拼接，直接把各站掃描數(shù)據(jù)拷貝到一個Model Space下即可形成一個完整的整體。如果外業(yè)采集使用的是標靶相對坐標，則需要進行基于標靶的拼接，此過程即是尋找同名標靶并進行坐標轉(zhuǎn)換的過程。然而有些時候為了外業(yè)作業(yè)方便，在外業(yè)掃描時不采用標靶，直接重復一定數(shù)量的公共區(qū)域，此時可以利用兩站直接的公共區(qū)域進行基于視圖的拼接，基于視圖的拼接即通過人眼判斷點云的公共區(qū)域，尋找重合點，通過視圖的平移和旋轉(zhuǎn)，使得兩站數(shù)據(jù)拼接在一起的方法，此方法操作簡單，但受人為因素影響較大，一般不建議使用，除非特殊情況下才可以有視圖拼接。

(3)點云融合和去噪

點云融合就是將不同站點的點云數(shù)據(jù)合并在一起的過程，在外業(yè)掃描過程中，每站都會有很多的重合點云數(shù)據(jù)，將各站點點云數(shù)據(jù)拼接在一起就造成點云數(shù)據(jù)的重疊，點云融合的目的就是根據(jù)點云歸一化算法將重疊點云進行優(yōu)化的過程；在掃描儀的原始點云中往往包含若干對于成果處理有不良影響的點，點云去噪就是根據(jù)一定的點云濾波算法，讓有效點保留，無效點刪除的過程。

(4)平立面繪制

徠卡P40專業(yè)點云后處理軟件Cyclone具有良好的可擴展性，通過開發(fā)相應的插件可以實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)與一些專業(yè)繪圖軟件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)進行互通。首先進行坐標系的旋轉(zhuǎn)和網(wǎng)格建立，定義參考面，使得點云便于人眼識別提取，然后利用Cyclone進行點云的切片處理；利用CAD插件CloudWorx導入切割好的點云數(shù)據(jù)，在CAD中提取建筑物的特征點、線，繪制建筑物的平面、剖面和立面圖。

4 工程應用與分析

中國海洋大學魚山校區(qū)內(nèi)擁有眾多歷史古建筑，保留較為完整，至今仍在發(fā)揮作用，作為教學樓使用，其中最為典型的是俾斯麥兵營。受中國海洋大學委托，青島市勘察測繪研究院承擔海洋大學魚山校區(qū)校園內(nèi)建筑物BIM建模工作，而在建模過程中很重要的一步便是繪制建筑物的平立面圖，而建筑物平立面測繪傳統(tǒng)方法費時、費力。

本文利用青島市勘察測繪研究院新購置的徠卡P40三維激光掃描儀，結(jié)合與儀器配套的三維點云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 9.1及AutoCAD點云數(shù)據(jù)處理插件CloudWorx，探索三維激光掃描儀在建筑物(以海洋大學某舊教學樓為例)立面測繪中的應用，同時與全站儀測量結(jié)果進行對比，驗證三維激光掃描技術(shù)提取建筑物點、線精度。

(1)按照上述作業(yè)步驟進行外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，生成海大舊教學樓的平立面圖，如圖4～圖9所示。

圖3海大舊教樓全景圖

圖4 海大舊教樓正面圖

圖5 海大舊教樓立面圖(南)

圖6 海大舊教樓立面圖(北)

圖7海大舊教樓側(cè)視圖(東)

圖8 海大舊教樓立面圖(東)

圖9 海大舊教樓一層平剖面圖

(2)點云提取點、線與全站儀等傳統(tǒng)測量方法精度比較

本文對海大新教學樓提取15個特征點，利用全站儀測量坐標與點云提取坐標進行比對，求得點位中誤差，如表2所示：

點云數(shù)據(jù)與全站儀測量結(jié)果對比 表2

對建筑物特征線提取12條邊，與全站儀測量結(jié)果進行比對，如表3所示：

點云數(shù)據(jù)與全站儀測量結(jié)果對比 表3

從表2可見，除個別特征點(8、9、11、12)，邊(2、8、9、10)與全站儀對比較差較大( 3 cm～4 cm左右)，其余較差較小；經(jīng)實地查看和內(nèi)業(yè)查找，特征點8、9、10處存在較大接觸面，另外與人眼識別誤差以及外業(yè)掃描入射角度有較大關系。

由上可以看出，利用架站式三維激光掃描儀P40繪制建筑物平立面圖點位中誤差在 2 cm左右，邊長中誤差在 3 cm左右，根據(jù)《城市測量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)要求，P40完全可以滿足建筑物立面測量精度要求。

5 結(jié) 論

隨著社會的發(fā)展以及技術(shù)進步，三維激光掃描得到了越來越廣泛的應用，本文探索將三維激光掃描技術(shù)應用到建筑物立面測繪中，對三維激光掃描儀P40的作業(yè)過程進行了闡述，結(jié)合專業(yè)的點云后處理軟件Cyclone，對掃描儀內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程進行了重點論證。通過實際項目驗證，利用P40提取建筑物特征點、線中誤差完全可以滿足建筑物平立面測量精度要求；相比傳統(tǒng)測量手段，三維激光掃描技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢，同時點云數(shù)據(jù)可以供其他方面應用，三維激光掃描技術(shù)為建筑物立面測量提供了一種全新手段，具有很好的實用意義。

但從目前來看，三維激光掃描技術(shù)在測量領域的應用潛力還有待進一步的開發(fā)利用。隨著多源傳感器的迅速發(fā)展，多源數(shù)據(jù)融合有待進一步研究，三維激光掃描技術(shù)勢必會得到更加廣泛的應用。