探究三維激光掃描儀在建筑立面測繪中的應用

何流

摘要：隨著我國城市化進程的加快，建筑外立面測繪工作逐漸增多，傳統的測繪技術已經無法滿足現代建筑立面測繪的相關要求。三維激光掃描測量技術的出現和發展，克服了傳統建筑立面測量的局限性，它能對建筑物進行無接觸、快速、高精度掃描，同時將獲得的點云信息快速轉換成計算機可以處理的數據的高效測量方式，因此成為建筑立面測繪的新方法。結合工程項目重點分析建筑立面測繪的相關問題，討論三維激光掃描儀的應用效果。

關鍵詞：三維激光掃描儀；建筑立面；測繪應用

一、前言

隨著社會經濟的快速發展，原有城市基礎設施已經不能滿足發展需求，所以必須綜合整治建筑立面、交通等，既可以完善城市交通網，提升街區整潔度，還能夠加強街區業態活性，豐富生態景觀，從而展示出城市發展面貌。在改造城市基礎設施時，如果周邊原有歷史街區、建筑，則要保護無需改造的設施，表現出街區建筑立面的統一性、整體性。在開展施工之前，以測繪方式獲取建筑信息，如全站儀法、人工測量法、近景攝影測量法、三維激光掃描法[1]。由于傳統測繪方式面臨較多的工程量時很難保證測繪精度，所以要研究工程量少、精度高的測繪方法，即三維激光掃描技術，從而有效地適應建筑立面的測繪要求[2]。

二、三維激光掃描技術

（一）技術原理

在科研、工程項目領域，三維激光掃描儀應用非常多，包括相位差式、脈沖式、三角測距式，其中應用最廣泛的是脈沖式。該掃描儀的工作原理是遵循激光測距原理掃描，掃描儀負責發射、接收激光信號，測量返回時間的距離，以激光脈沖獲取建筑密集點的信息，內業處理掃描信息后獲取建筑的特征點，整理掃描物信息后建立建筑模型。此外，在外業掃描操作中，按照實際要求配置數碼相機，獲取實體影像信息，詳細記錄建筑顏色信息。在處理后期數據時，加載掃描數據的點云像素，選取特征點繪制圖像，加強可視化效果[3]。

（二）技術優勢

三維激光掃描儀屬于非接觸測量系統，能夠收集高密度、大面積的三維數據信息，具備較高的數據收集效率。相比普通測量法，三維激光掃描法的工作點位精度高，且點位密度大，能夠提升數據信息、坐標點參數的掃描速率。三維激光掃描技術能夠實現主動式光源，即使在無光照條件下也可以實現觀測，所以逐漸應用到隧道內部、建筑內部的掃描工作中。三維激光掃描設備能夠同步接收反射激光、可見光條件，掃描處理光照強度、物體色彩，從而形成三維坐標體系，獲得三維影像信息[4]。

（三）技術路線圖

基于三維激光掃描儀的工作原理，參考項目的目標成果，制定掃描工作的流程。之后，制定掃描工作技術路線，如圖1所示。

三、三維激光掃描作業流程

建筑立面測量時，如果使用三維激光掃描儀裝置，則測量環節非常多，比如點云數據采集與處理、繪制立面圖。點云數據采集，包括現場踏勘、架站掃描、繪制草圖等。數據處理涉及點云數據處理、繪制立面圖[5]。

（一）采集數據

第一，現場踏勘。外業數據采集前，測量人員要深入現場踏勘，保證掃描路線的合理性。

第二，架站選擇、掃描。掃描儀架設地點，應當與人群、車輛保持安全距離，選擇堅硬地面，鄰近站要具備通視條件，且包含30%的公共區域。當區域遮擋嚴重時，則要增加測站的數量，保證數據采集的完整性。同時要控制架站密度，以免數據采集、處理的工作量增加。掃描操作中，保證點云密度設置的合理性，減少點云過疏問題，以免影響建筑特征點的精度。同時控制點云過密問題，以免增加點云數據量、內業處理時間。在掃描操作中要使用不同等級，參考項目要求、掃描對象復雜度，采用中密度掃描模式。

第三，繪制草圖。掃描操作中，通過視覺慣導系統，實時追蹤掃描儀的位置，通過計算機自動拼接。當掃描鄰近點無重疊區時，則掃描儀不能自動拼接。繪制草圖是在地形圖上記錄掃描路線、測站編號，幫助內業完成點云拼接。

（二）數據處理

三維激光掃描結束后，內業將測站點云導入軟件內，處理拼接之后，可以形成完整的點云。

第一，點云拼接。基于約束條件，將多站掃描數據配置到統一坐標系內。采集點云數據時，采用視覺追蹤技術、拼接技術，將數據導入云端，以點群方式顯示。檢查預拼接云群的精度后，采用視圖拼接方式，將鄰近點群拼接在一起。拼接操作結束后，注重優化約束條件，凍結生成ScanWorld、Modelspace，完成拼接操作。

第二，點云統一化。將多站點的點云數據處理為合并點云，是點云優化處理法。拼接各個站點的點云數據，則會出現點云數據重疊問題。點云融合目的是按照點云歸一化算法，優化重疊點云，便于瀏覽、選擇點云。

第三，點云去噪。是一種優化點云的過程，對于掃描儀裝置的原始點云，涉及干擾點、錯誤點，因此噪聲來源比較多，當物體表面比較光滑，采用鏡面反射方式，可能會出現大量錯誤點。在溫度、強光、雨霧的環境影響下，傳感器捕捉到錯誤信息。激光光束的離散度，可以同步光束發射、接收物體反射光束，所以地物邊緣存在明顯的噪聲。去噪之后，采用軟件算法進行計算，以“Terrasolid”、人機交互法開展點云濾波處理。應用軟件內的“Fence”框選工具，選擇要刪除的點云。如果處于復雜場景，則采用“Limit Box”工具約束范圍，之后刪除點云。

第四，點云抽稀。根據工程的精度要求，抽稀處理原始點云，緩解數據存儲、處理壓力。應用三維激光掃描儀，短期獲取大量點云數據，對計算機運算效率、速度的影響大，在確保里面細部精確度的同時，要做好點云數據抽稀處理[6]。

（三）高程誤差改正模型

高程點位精度，對三維激光掃描技術的監測效果影響非常大，因此要對點位高程精度提出嚴格要求。按照建筑工程測量規范可知，點位高程位移平均速率控制值為每日2mm，分析掃描結果可知，如果點位高程沒有經過改正處理，則很難達到標準要求，因此要嘎正高程點位誤差。分析系統點位精度、高程誤差方差、貢獻率可知，測距對高程誤差的影響較大，高程誤差、測距的相關性較強，因此要選擇基線比較模型法，對高程誤差進行排查，才可以獲得準確的數據結果。

（四）繪制立面圖

第一，建筑立面編號。繪制立面圖前，應當做好編號處理，將方位索引編號標記到立面。如果一個立面的折面比較多，則要添加數字編號。命名圖名時，要參考測區名稱—建筑編號—方位索引號的格式。

第二，繪制立面圖。將點云數據導入軟件內，處理為rcp.格式點云，之后導入繪圖軟件內。合理設置用戶坐標系，將建筑立面投影到正視圖中。

四、工程案例

（一）案例一

1.工程實況

A建筑立面測繪項目是城區改造項目，繪制建筑立面結構，建立三維模型，為建筑立面治理提供參考。項目所在區域的道路長度為3.36km，路面寬度小，分布低矮建筑。沿線樹木高大，遮擋問題嚴重，交通運行量大。

2.工作流程

三維激光掃描建筑立面開展時，劃分為前期準備、外業數據采集、內業數據處理、數據成果實現。在前期準備環節，要收集好項目范圍內的資料，明確項目背景、項目需求、技術重難點，聯合現場踏勘，優化配置測繪人員，設置技術路線，編制詳細的測繪方案。外業數據掃描時，明確測站位置、掃描參數，通過三維激光掃描儀掃描目標、拍攝影像圖。完成數據采集后，自主檢查數據。在內業數據處理中，通過點云處理軟件開展查看、拼接、降噪、抽稀處理。數據成果實現則采用點云漫游、立面繪制切片、三維建模實現，繪制完整的建筑立面圖。

3.關鍵技術要點

第一，前期準備環節。三維激光掃描建筑立面要確定項目工作流程、設站位置、掃描儀性能。在前期準備工作中，要深入現場踏勘，選擇適宜的掃描儀設備。采用前期踏勘方式可以發現測量區的人流量多集中在上下班高峰，且樹木高大，建筑低矮。按照區域的實際情況，選擇掃描儀時要考慮高精度、遠測程、便于操作的特點，如HS450三維激光掃描儀測距精度為8mm@100m、最大測距450m，全景分辨率高于7000萬像素，測量頻率為每秒50萬點。選擇10：00—15：00為測量時間范圍，站間距離為30m。如果區域的測量難度大，則結合三維激光掃描法、傳統測量法。

第二，外業數據采集。在采集外業點云數據時，對三維建模質量的影響非常大，人流量對噪點形成的影響大。在外業測量中，不僅要采取錯峰手段，還要應用彈性測量機制，人為控制數據采集，縮短掃描儀、建筑物的間距，增加測站數量。在數據處理中，點云數據拼接為操作難點，確保前后測站間的重疊度達到30%，同時關注不同測站間的公共平面。在本次項目中，選擇不同激光點頻率設置，開展對比實驗法，從而將點頻率確定為100kHz。設置分辨率參數，能夠決定掃描數據量、掃描時長。

第三，內業數據處理。點云拼接處理是將站點掃描數據配置到坐標系內，屬于內業數據處理的關鍵步驟，拼接精度對成果質量的影響大。此次項目中，使用軟件的鄰迭代配準算法，按照前后順序自動拼接點云，針對掃描角度、光照、環境影響下無法實現自動拼接的點云，則要在軟件內識別鄰近站點的標靶紙特征點，從而實現手動拼接，之后檢查拼接誤差，確保拼接誤差小于2cm。本次項目中采用軟件自帶的點云自動過濾功能，實現點云降噪處理。針對人、車影，如果不能自動去除時，則要以點云度變形選擇器圈定噪聲點云，之后再手動刪除。精簡、分割點云時，要使用軟件自帶功能處理，導出DXF.格式點云文件，采用CAD軟件繪制立面圖。

第四，分析掃描精度。為了對三維激光掃描儀的應用效果進行驗證，分析建筑立面測繪的精確度，使用全站儀設備測量建筑立面、拐角坐標、門窗部位等，對比測量數據、掃描數據，如表1所示。基于數據結果，無需考慮全站儀測量的精度誤差，確保建筑測繪數據、全站儀測繪誤差小于10mm。測繪工作精度應當滿足建筑測繪的設計要求。在此基礎上，量測同一特征線的測繪點，對比測繪結果、鋼尺量測結果，并將其作為本文點位的測繪精度，如表2所示。

通過上述結果可知，測繪誤差值最小為1mm，最大為8mm，各項測繪誤差控制在10mm內，所以本文設計方法的精度較高。

（二）案例二

1.工程概況

A路是展示城市形象的重要窗口，綜合改造和整治臨街建筑，整合處理街區內臨街墻面、門面的無序狀態，形成高品位的示范區，有助于完善城市功能、提升城市形象，改善沿線市民居住環境。改造之前，對臨街建筑立面進行普測，為改造設計提供參考。

2.實施概要

A路全長為1.8km，建筑立面測繪面積為9.8萬平米。建筑立面圖涉及建筑立面全要素，比如空調外機、落水管、水表電箱、墻面等。提取立面特征點，參考建筑制圖的標準，繪制建筑立面輪廓，保證建筑形狀、附屬結構、空間關系表達的準確性。繪制立面圖后，要使用CDA軟件查詢對象面積，此時就要應用到對象數形窗口，針對性選擇圖層信息，統計要素的數量和面積。

3.質量檢查

檢查建筑立面的質量，可以保證立面圖要素內容的正確性、要素表達的完整性，同時確保立面圖要素繪制、點云數據的相符度。只有保證搭接關系、空間表達的正確性，才可以保證圖面整潔度、立面圖提交格式達標。為了檢驗測繪精確，測量人員要使用傳統測量法，先在測量區選擇18條邊，對比建筑提取的特征線，結果如表3所示。分析表內數據可知，邊長較差分布在1～3cm，邊長中誤差大約為3cm，精度滿足規范要求。

4.注意事項

第一，建筑立面測量操作時，要控制三維激光掃描儀、建筑立面的距離，外業掃描時，以中低密度點模式為主，但不能選擇高密度點模式，避免延長外業掃描時間、點云數據處理時間，導致點云數據容量擴大。

第二，建筑立面圖繪制時，曲面繪制難度大，針對立面點云進行垂直切片處理，同時沿著點云的橫截面繪制曲線，檢查曲線數形、長度。繪制立面圖后，標注出相關尺寸。

第三，在掃描目標建筑時，鄰近建筑、樹木會產生比較強的遮擋作用，致使目標建筑的點云數不完整，內業無法獲得準確的建筑結構尺寸。根據露明部分的尺寸，逐步推算隱蔽尺寸，特別要說明推算結果。

五、結語

綜上所述，在測繪建筑物立面時，全站儀法也可以提升外業效率，但是面臨的外業工作量非常大，如果點位特征不明顯，則很難準確識別，不但需要測繪人員花費大量的時間與精力，而且獲取的測繪結果精準度不足。而三維激光掃描儀屬于新的測繪方法，能夠縮短外業操作的時間，且內業數據處理過程中能夠直觀看到建筑形狀、變化趨勢，可以保證外業測量結果的準確度，之后繪制準確的圖像可以實現可視化的作業效果，最大限度地提升測繪效率與質量。本文采用具體案例分析法，論述三維激光掃描的技術要點，之后分析掃描精度，驗證了三維激光掃描儀的應用效果，可以保證建筑立面測繪的準確度，為后期施工提供參考信息。

參考文獻

[1]李林.三維激光掃描技術在特異型建筑構件檢測中的應用探討[J].工程機械與維修，2023，19（1）：73-75.

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[3]方舟，廖一聯，王昊舒.三維激光掃描技術在文物建筑測繪中的應用研究——以成都杜甫草堂工部祠為例[J].建筑與文化，2022，26（8）：219-221.

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[6]牛鵬濤，田疆.三維激光掃描與HBIM技術在歷史建筑數字化建檔中的應用探索[J].檔案管理，2022，13（3）：68-70.