激光掃描技術在建筑物立面測繪中的應用研究

吳亞稀

（余姚市正衡測繪有限公司，浙江寧波 315400）

0 引言

部分工程單位在采集建筑立面測繪數據工作中，通常選擇應用相機、皮尺、測距儀、全站儀等設備進行人工測繪，不僅需要耗費大量時間進行現場測量，還需要進行復雜的后期計算，存在效率、誤差方面的不足。為提升測繪效率，部分單位選擇應用無人機航測技術，但會面臨數據采集精度方面的難題。本文針對建筑立面測繪數據采集工作中存在的難題，提出應用三維激光掃描技術的測繪方法。

1 三維激光掃描技術概述

在建筑工程、變形監測等領域中，三維激光掃描技術應用廣泛，該技術為高清晰度測量技術，能夠借助激光實現對大量點云數據的快速采集。在實際應用過程中，儀器能夠發射具有大量點云的激光脈沖，點云附帶有反射率信息、高密度等，能夠實現目標單位的無接觸信息采集，并可通過提取點云數據中的目標結構信息還原目標三維模型。相對傳統建筑立面測繪方法，該技術的效率更高，可以對任意規則結構的建筑進行快速測繪，同時能夠保證測繪精度[1]。

2 三維激光掃描技術原理分析

三維激光掃描技術的關鍵硬件設備為三維激光掃描儀，該儀器的采集速率、精度等功能特性如表1 所示。

表1 三維激光掃描儀功能特性

三維激光掃描技術原理如圖1 所示，通過對建筑立面進行豎直與水平方向的掃描實現空間結構信息的采集。圖1 中，α、β為激光中心O 與掃描位置A之間的水平與豎直方向夾角，X、Y、Z 為坐標軸。

圖1 三維激光掃描技術原理

掃描位置A 的坐標為（X，Y，Z），可以利用三維掃描儀的測距功能確定A 點與O 點之間的距離η 和角度，根據距離η 和夾角α、β 計算A 點坐標，公式如下：

在三維激光掃描技術應用前，工作人員需要嚴格按照野外測繪要求對目標區域整體情況進行全面勘察，根據勘察結果繪制野外草圖，借助草圖對建筑立面測繪期間面臨的障礙物情況以及測繪尺寸進行評估，從而確定現場測定布設需求。為滿足工程測繪需求，工作人員需要觀測建筑地表、空間現場情況，借助攝像機采集圖像數據，結合數據和現場情況制定測繪方案，嚴格控制測站數量以及建筑與測站的間距，確保數據精度等符合測繪需求[2]。

3 建筑立面測繪數據采集和預處理工作要點

3.1 點云數據采集

測繪前，工作人員需要根據測繪方案做好三維激光掃描儀模式、分辨率、精度等參數的設置，由于單個位置掃描獲取的建筑結構信息特征有限，工作人員需要重復按操作流程進行多個位置的掃描，從而確保采集數據覆蓋整個建筑立面。針對采集的節點數據，工作人員需要基于最小二乘法進行線性擬合：

其中，i、j 為x、y 擬合直線的斜率，k 為截距。

式（4）可轉化為矩陣形式：

針對上述矩陣，引入擬合向量ω，求得基于信息節點的線性擬合公式如下：

式（6）計算結果最小值即為擬合誤差最小法向量，由此可以確定建筑初始掃描位置，為后續的點云數據采集、預處理提供依據[3]。

3.2 點云數據預處理

為避免因異常、錯誤數據點影響建筑立面測繪數據精度，工作人員需要對點云數據進行預處理，預處理需要應用點云數據配準算法，實現對異常數據信息的清理。數據處理時可以采用均值濾波方法，公式如下：

其中，ε 代表均值濾波處理；e（x，y）為均值濾波處理結果；p（x，y）為濾波窗口（中心為數據節點）坐標點；q（x，y）坐標灰度值。數據處理期間，首先基于坐標灰度值對測繪的建筑立面數據節點進行降序排列，并在此基礎上輸出均值處理結果，將相應的灰度值匹配給處理結果對應中心的像素。均值濾波算法能夠將點云數據中存在的噪聲點消除，同時實現對數據密度的分散處理，通過對建筑立面測繪數據結果壓縮、精簡的方式實現對后續測繪數據處理效率與精度的提升[4]。

部分區域存在遮擋物或目標區域尺寸較大等都可能導致掃描結果無法滿足使用需求，針對這一情況，工作人員需要將中心點定為測繪目標建筑物，在掃描期間設置多個掃描點位。針對不同點位掃描數據存在的不同維度問題，工作人員需要借助拼接技術實現對數據空間坐標的轉換處理：

其中，mr與nr即為待拼接的不同維度數據點，B 為平行位移轉換矩陣，D 為旋轉矩陣。

為實現不同坐標系點云數據的統一，本文選擇應用極坐標軸轉換法：

其中，τ 為待處理點云數據坐標與極點的間距；φ 為待處理點云數據所在坐標系與極軸的逆時針角度差。經過點云數據的均值濾波降噪處理和拼接轉換處理，原本不同維度的測繪數據最終被整合為一體。

4 三維激光掃描技術測繪數據采集精度實驗分析

為研究三維激光掃描技術在建筑立面測繪方面的精度，本文選擇某城區改造項目進行實證對比分析。該項目為針對老舊城區的改造工作，為確保項目順利開展，需要對建筑立面進行測繪。現場勘測數據結果表明，老城區改造目標建筑主要為多層建筑，所在區域存在約4.75 m 寬的道路，建筑分布與道路兩側，道路相對窄小，建筑周邊存在較多高大樹木，形成嚴重遮擋問題，人工測繪期間需要面臨車輛及居民大量通行的問題，因此有必要借助三維掃描測繪技術進行高效測繪。

4.1 工作流程

為確保該項目建筑立面測繪工作順利開展，工程單位組織人員進編制了測繪工作方案，主要包括測繪準備、數據采集、數據處理、數據匯總等多個階段。測繪準備工作的重點在于結合工程項目要求對現場建筑分布、環境影響等進行勘察，明確工作路線及人員組織等相關內容。數據采集階段，工作人員需要對掃描站點進行合理布設，并做好三維激光掃描儀參數配置工作，確保測角、測距精度等符合測繪要求，最終獲取相應的影像數據信息。數據處理階段，工作人員需要借助算法、軟件進行數據均值降噪、拼接轉換處理，并構建所需的三維模型。

4.2 對比實驗

為驗證三維激光掃描技術在實際測繪中的精度，針對建筑立面拐角位置、特征位置多個點位分別利用全站儀和三維激光掃描方法進行測量（表2）。

表2 全站儀量測數據與三維激光掃描測繪技術偏差對比 m

數據結果表明，三維激光掃描測繪結果與全站儀誤差最大為0.008 2 m，誤差在±10 mm 范圍內，測繪精度能夠滿足需求。為進一步驗證三維激光掃描測繪技術的精度，本文針對相同特征性的多個測繪點，利用鋼尺、三維激光掃描技術分別測量。測量結果表明，兩種測量方式之間的偏差最高僅為7 mm，能夠滿足測繪精度需求。

5 結束語

綜上所述，三維激光掃描技術對于解決傳統人工測繪建筑立面過程中面臨的測繪難度大、效率低、精度差等問題具有積極意義。三維激光掃描技術借助激光脈沖實現對大量點云數據的快速掃描，通過點云數據均值降噪、多站點測繪數據拼接轉換處理等方式，能夠獲取精準的測量數據。結果表明三維激光掃描技術在特征、拐角等點位的測距精度滿足需求，具有推廣應用價值。