手持三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應用

劉麗娟

（江西省地質局地理信息工程大隊，江西南昌 330001）

0 引言

建筑物立面數據的可視化對于建筑物的改造尤為重要。目前建筑物立面數據采集方式主要有2種：1）傳統測量方式，如全站儀配合皮尺，該方法采集到的數據精度高，但是效率低下，人力成本較高；2）無人機傾斜攝影測量技術，但是小區內遮擋較為嚴重時會導致采集數據不完整，精度不高［1］。

三維激光掃描技術是近年來測繪行業中一種新型的數據采集技術，通過三維激光掃描技術可以短時間內快速獲取大量的高精度三維點云數據。利用豐富的點云數據可以進行真實三維實景模型的構建，反映場景真實環境［2］。目前三維激光掃描技術已經在文物保護、古建筑測量、建筑設計、地形測量等測繪項目中有著廣泛的應用。隨著應用的逐漸廣泛，將三維激光掃描儀應用到小區立面改造中的案例也越來越多。文獻［3］提出了三維激光掃描儀在立面改造中的優勢，文獻［4］歸納總結了三維激光掃描儀進行建筑物立面測量的流程，通過實驗驗證了運用該技術進行立面測量的可行性。

以往建筑物立面三維激光掃描大都使用架站式三維激光掃描儀，雖然可以采集較高精度的點云數據，但缺點在于受到的限制條件較多，如需滿足通視的條件，且換站的耗時較長。相比于架站激光掃描儀，手持激光掃描儀攜帶方便，掃描速度快，只需一名作業員就可完成場景點云數據采集。結合手持激光掃描儀的優勢，本文使用ZEB-REVO RT 手持激光掃描儀進行建筑物點云數據采集，將其應用到寧波市老舊小區改造中，取得了不錯的效果。

1 儀器介紹及工作原理

1.1 儀器介紹

本文中激光點云采集使用的是華測ZEBREVO RT 手持激光掃描儀，它提供了一種快速、簡單獲取被測物體三維點云數據的方法。用戶在通過測區時便可實時獲得點云數據，ZEB-REVO RT 手持三維激光掃描儀無需像傳統掃描儀那樣設置掃描參數，便可獲得像使用傳統掃描儀獲得的數據一樣精確的三維點云數據。ZEB-REVO RT 手持式激光掃描儀的儀器參數如表1 所示。

表1 儀器參數

1.2 工作原理

ZEB-REVO RT 手持三維激光掃描儀是一種移動式三維激光掃描系統，通過基于SLAM 算法，它可以大大提高空間三維數據采集效率。SLAM 技術也叫同步定位與建圖技術，工作原理為掃描儀在移動過程中，通過自身攜帶的IMU、編碼器傳感器獲取里程計信息，并對掃描儀的運動模型進行構建，計算得到掃描儀的初始位置估計值［5］。通過參數模型、掃描得到的激光數據信息修正掃描儀位姿，獲取掃描儀精確的掃描軌跡。最后在掃描儀準確的位置信息的支持下，結合激光掃描數據對整個測區進行地圖的構建。

1.3 技術優勢

相比于傳統激光掃描，手持激光掃描的優勢還在［6-7］：

1）快速性。傳統激光掃描需要架站、設置標靶等工作，手持激光掃描儀只要手拿激光掃描儀按照正常速度行走即可采集點云數據。為了控制漂移誤差，一般將一站的采集時間控制在15 min 以內，可采集1 至1.5 km 軌跡兩側100 m 范圍內所有地物的點云數據。

2）自主性。由于ZEB-REVO RT 不需GNSS 進行實時定位，故可在無信號覆蓋，如室內環境、地下環境、偏遠地區等進行點云數據采集。

3）全領域。ZEB-REVO RT 可通過搭載多平臺進行多范圍掃描，如搭載無人機進行全覆蓋測量；連接吊裝設備進行井下測量。

4）便攜性。手持式激光掃描儀重量適中，大小合理，全套設備可集成在一個背包內，大大提高了傳感器集成效率，只需一個作業人員就可進行數據采集。

2 技術路線

結合實際生產項目，本文完成了基于手持激光掃描儀的建筑物平立面測繪的整個工作流程，本文的技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線

2.1 測量線路規劃

與架站激光掃描儀不同，手持激光掃描儀無需架設測站，只需根據測區環境設計采集路線即可。線路規劃時，需考慮掃描儀本身的性能，保證規劃的線路能夠滿足建筑物頂面在掃描儀的最大仰角與采集范圍內。針對可能會被遮擋的區域同時要設計路線進行補測，同時保證掃描得到密度足夠高的建筑物側面點云數據。

為了盡可能控制采集點云的偏移誤差，一條線路的采集時間不應超過15 min。為了能夠將兩條線路采集到的點云數據進行配準與融合，兩條線路應有足夠的重疊部分［8］。

2.2 數據采集

規劃好采集線路，按照設計路線進行點云數據采集。數據采集時，只需將掃描儀置于地上，初始化完成以后即可進行點云數據采集。在數據采集過程中如遇到規劃線路旁無法觀測到的區域時，同樣需要測量，并且在線路規劃圖上進行記錄［9］。利用手持激光掃描儀進行點云數據采集如圖2 所示。

圖2 ZEB-REVO RT 手持三維激光掃描儀數據采集

2.3 內業數據處理

外業采集得到的數據格式為LAS，這是通用點云數據格式，它能夠被Trimble Business Center 與Trimble RealWorks 等點云處理軟件所識別。本文使用Trimble Business Center 軟件對所有測站采集得到的點云數據進行處理，首先對各個測站的點云數據進行主體拼接［10］。一般情況下配準拼接后的點云殘差與重疊度都沒有達到精度要求，這時需手動將不同測站之間的同名點進一步配準拼接，直到達到精度要求為止。

拼接后的點云數據包含地面點云、建筑物點云、地物點云，涉及的范圍較大，數據量也較大。在創建建筑物立面信息時，可以按照樓號進行建筑物點云區域創建，該區域點云只包含對應樓號的點云數據，從而可以針對性地對每棟樓進一步處理，使數據量更低、處理效率更高。將點云數據導入到建筑物信息提取軟件中，即便是單獨的建筑物點云，也需要較高的電腦配置。將建筑物點云主平面生成正射影像，相應的正射影像角點坐標也應生成。最后將生成后的正射影像導入建筑物信息提取操作軟件中，以正射影像作為數據源進行建筑物信息提取，在滿足要求的情況下可大大提高提取效率。

3 工程實例

根據舊小區改造規劃與要求，寧波市某小區將進行舊小區建筑區改造，在建筑物立面加裝隔熱材料。該小區為老舊小區，樓棟數較多，樓間隔較短。且老舊小區樓層較低，植被密集，建筑物特征角點被遮擋情況較為嚴重。使用傳統測量方式進行建筑物測量耗時耗力，大大增加外業工作量。為了在較短時間內高質量完成該任務，項目組使用ZEB-REVO RT 手持三維激光掃描儀采集小區建筑物數據。

該小區共有27 棟建筑，按照以往經驗，如果使用全站儀需要一周左右時間；如果使用架站式激光掃描儀采集建筑物數據大概需要3 d 時間，需架站30 站左右。使用手持激光掃描儀只需要進行5 條路線的數據采集，每條路線數據采集耗時在15 min以內。加上不同測站之間數據采集前的初始化工作，最快半天完成小區內所有建筑數據的采集工作。

建筑物外業數據采集完成后，內業繪圖前先將相應點云生成正射影像圖，將正射影像圖導入清華山維EPS 軟件中進行繪圖工作。為了對比本文使用方法與傳統測量方法的精度，使用全站儀采集10 個建筑物特征點與本文方法采集同名特征點進行坐標對比，求得點位中誤差，精度統計如表2 所示。

表2 誤差精度統計單位：cm

同時選擇10 棟建筑物邊進行精度統計，統計結果如表3 所示。

表3 邊長誤差精度統計單位：cm

從表2 和表3 可以看出：建筑物點位誤差都在2 cm 以內，邊長誤差都保持在2 cm，滿足《城市測量規范》中對建筑物的精度要求。利用正射影像圖繪制完成的小區建筑物立面圖如圖3 所示。

圖3 建筑物立面圖成果

4 結語

隨著測繪技術手段的不斷更新、發展，測繪行業正在面臨轉型發展。本文以實際項目為依托，立足測繪新技術、新儀器、新方法，詳細介紹了手持三維激光掃描儀的技術優勢與工作原理。通過手持激光掃描儀對寧波市某舊小區改造工程中建筑物數據進行采集，并且進行內業數據處理、立面圖繪制與成果精度評定，證明了利用手持激光掃描儀可以高效率、全天候完成城市老舊房改造等工程，取得的效果較好。本文的方法與工程實踐可為相關工程提供有益的參考價值。