基于三维激光扫描的建筑立面测绘关键技术

吕宝雄

(中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)05—0030—03

基于三维激光扫描的建筑立面测绘关键技术

吕宝雄

(中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

以海南省乐东黎族自治县旧城改造立面测绘项目为依托，提出了基于三维激光扫描的立面测绘作业流程，较全面地总结了该技术在建筑立面空间数据获取、数据处理和立面绘制方面的关键技术，其可提高建筑立面测绘效率和精度。

三维激光扫描；点云数据；建筑物测绘；立面图

0 前 言

随着数字城市建筑水平的提高和城市化进程的推进，城市的旧城改造因建筑年久失修及设计图纸缺失，用测绘手段逆向获取建筑立面图纸，通过有选择性地对城市环境的内部功能、建筑、空间等进行必要的调整和改变,可有效避免大拆大建，注重保护历史建筑与历史街区、留存城市文化、延续城市底蕴,达到引导城市发展、提升城市活力、改善城市形象的目的[1]。

伴随海南打造国际旅游岛的推进，着力培育特色旅游城镇，具有“小三亚”之称的乐东黎族自治县旧城改造工程予以实施，中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司承担了城市建筑立面图测绘工作。将三维激光扫描技术引入建筑立面测绘领域弥补了传统测绘手段费时、费力、采点稀疏等诸多不足，改变了已有的数据采集方式，面式数据采集替代传统的点式数据采集[2]是测量技术发展史上的一次巨大变革。依托该工程，摸索总结了建筑立面测与绘的作业流程和关键技术，高效真实地取得了高精度建筑立面图。

1 建筑立面测量技术特征与路线

1.1 建筑立面测量技术特征

(1) 测量内容复杂精细。精确反映建筑物外貌特征的数据点，尤其是细部结构如门窗花纹、浮雕、檐口构造、阳台栏杆和墙面复杂的装修等。

(2) 测量与绘图精度要求高、技术难度大。建筑立面图比例尺1∶100，对于具有历史底蕴的建筑细部精度1∶50，远高于常规测量。由于三维激光扫描测量中建筑物表面“点云厚度”与棱角边缘“飞点”的存在，在提取的点云数据绘制建筑立面图时，容易导致难以正确的捕捉到实际点，提取与绘制的结构线不唯一而造成误差。

(3) 测量工期紧。该项目为政府形象性工程，工期紧迫。测绘技术人员需在较短作业周期内超负荷工作，以保证工程工期。

(4) 城市测量干扰因素多。城市建筑多以高层群楼为主，高层楼体受本身结构凸凹、外缘景观树木遮挡，以及楼宇间距狭窄、繁华商业街区人与车流量大，以上因素造成通视条件差，扫描站点布设受限，人员和设备作业危险，关键点数据获取困难等。在外业作业时，选择多视角、大倾角侧斜设站及避开上、下班高峰期，尤其在商业繁华地段选择夜间作业，减少扫描数据的噪点数据，保证作业人员和设备安全。

1.2 技术路线

本文依托该工程生产实践，提出了基于三维激光扫描技术的建筑立面测绘作业流程，总体技术路线如图1所示。

图1 三维激光扫描建筑立面测绘技术工作流程图

2 数据获取测量技术

应用三维激光扫描对建筑物测量首先进行观测控制网的布设[3]，其次确定扫描站点以获取点云数据。

2.1 控制网布设技术

为满足高精度的建筑立面测绘必须首先建立必要的扫描测量控制网，控制网的预设精度要高于建筑立面图绘制的精度要求。控制网布设原则：

(1) 控制网布设根据需要一般分2级布网，首级控制网应通盘考虑街区布局现状，网形以三角形或大地四边形建立；次级网在首级网的基础上考虑建筑物的复杂度，便于扫描仪架设位加密获取建筑物外观特征数据。

(2) 首级控制网中各相邻控制点之间通视要求良好，至少有2个通视方向。

(3) 在尽量保证网形结构强度的前提下，控制点应因地制宜地选择在地面稳定、便于保存和易于联测、拓展的地方。

2.2 扫描测量技术

扫描测量是获取数据质量好坏的关键。布设的基本方案为：

(1) 单幢低层简单建筑楼体(沿街单面，楼长不超过20 m)基本按2站设置，将楼体4等分，在1/4、3/4处各设1站；连排低层具有一定弧度的建筑物，可根据建筑物水平投影在拐点处加测设站。

(2) 复杂凸凹高层建筑体可根据建筑物细节特征进行局部高、低站及倾斜加密架设，以保证短时间、高密度、完整获取建筑物外观特征的点云为佳。

外业数据采集时，主要考虑扫描精度、数据质量和扫描效率，扫描关键在于：

(1) 采样间隔。采样间隔的设置值取决于建筑立面绘图精度。采样间隔的大小，是反映建筑物细节轮廓真实度的主要指标，也是反映扫描速度快慢的关键。采样间隔小，扫描速度慢，点云数据稠、密度高。一般对小于1∶100的立面图，其采样间隔可取8 mm@50 m。

(2) 多次或精细扫描。采用具有多回波技术的扫描仪按一定采样间隔进行2～3次重复扫描，达到点云加密的效果。或对某一特定细部按较小的采样间隔进行高密度扫描，获取高清晰度的点云数据。

(3) 近距离垂直扫描。尽量要求在扫描最佳半径50 m以内(难度较大的，可适当放宽)架设扫描仪，并保证激光垂直入射被测楼体立面，避免倾斜或大倾角扫描，保证在扫描位置处得到最小的激光光斑，减小“点云厚度”和减少测量“飞点”。

3 数据后处理的技术关键

基于三维激光扫描的建筑立面数据后处理关键为点云配准和数据去噪。

3.1 多视点云配准

常用的点云数据配准方法有：共轭面转换法；标靶法；曲面匹配法。

根据配准特点，本文将共轭面转换法和曲面匹配法进行综合优化，各取所优，提出一种基于平面和曲面平滑配准方法，使其在处理速度和精度方面达到最优化。

将扫描站点重叠区域的海量点云数据按楼体直立面和地面划分成2类，分别按采样最小间距对2类形状进行构TIN建立真实模型，去除模型中的异常点，进行模型组合匹配，多次迭代计算调整，可达到理想效果。

根据此方法，该工程点云数据配准后，按其误差统计绘制的柱状见图2。

图2 点云配准误差分布柱状图

从图2可以看出，点云配准误差呈正态分布状，计算的点云配准中误差6 mm，表明本次点云数据配准精度高，完全能够满足立面测绘精度要求。

3.2 数据去噪

从激光采样点数据中去除噪点、植被等与建筑立面元素无关的数据，保留建筑物外观结构特征线目标点。

TerraSolid是机载Lidar数据处理软件，基于MicroStation平台开发。根据激光采点特性，将其引入地面三维激光扫描的数据处理中，在其Terrascan模块下进行建筑自动分类宏程序设计，程序主要语句

如下：

FnScanClassifyGround(1,2,1,60.0,88.00,6.00,1.40,-1,5.0,0,2.0,0) 分类地表点

FnScanClassifyModelKey(2,8,15.00,0.10,0.05,0) 分类地表关键点

FnScanClassifyBuilding(2,5,6,40.0,0.20,0,0) 分类建筑物点

程序的目的是提高建筑物点自动分类准确率，减少手工分类工作量，提高点云数据处理效率。

4 建筑立面图绘制

以乐东县某大楼为例，总结建筑立面图绘制步骤。

在选择制作立面图平台时，采用与计算机辅助设计平台(AutoCAD)兼容较好、在建筑领域应用广泛的Microsation绘图平台。

立面图绘制作业步骤：导入点云数据→建立辅助坐标系→线化描绘→投影转换→修饰标注。

为保证立面图绘制的精度，在进行绘制时应注意如下关键点：

(1) 立面图应按正投影绘制[4]。建筑立面点云导入屏幕中，初始显示为物方位，投影到屏幕存在投影畸变，必须将绘制面建立辅助坐标系予以纠正，使绘制面俯视投影线与计算机屏幕平行，然后在投影方向下绘制可见的建筑外轮廓线、墙面线脚、构配件等特征线。

(2) 平面形状曲折、圆形或多边形建筑物，按其弯曲实际长度拉直分段绘制，但均应在图名后加注“展开”二字。

图3 乐东县某大楼影像、点云及绘制的立面图图3是基于三维激光立面测绘的基础上完成的建筑立面效果图。

5 结 语

将三维激光扫描技术引入建筑立面测绘领域弥补了传统测绘手段费时、费力、采点稀疏等诸多不足，改变了已有的数据采集方式。该技术在建筑测绘领域中的工程实践，摸索总结了建筑立面测绘的作业流程，对其关键技术进行了深度研究，所采取的关键技术有效可靠，对提高建筑立面测绘精度和工作效率效果显著，使建筑立面真实重现，其对建筑立面测绘具有一定的指导意义和应用价值。

[1] 万昕平,罗杨,符名引.基于全站仪的古建筑立面图测绘及数据处理[J].城市建设理论研究,2012,(20):1-6.

[2] 余明,丁辰,过静珺.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学,2004,(10):69-70.

[3] 三维激光扫描技术应用于建筑物建模的测量方法研究[J].城市勘测,2011,(2):87-90.

[4] GB50104-2010,建筑制图统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

Key Technology of Surveying and Mapping of Building Elevations Based on 3D Laser Scanning

LYU Bao-xiong

(POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

With the case of the elevation surveying and mapping of the urban building renovation of Ledong Li Nationality Autonomous County, Hainan Province, the operation procedures of the elevation surveying and mapping by 3D laser scanning are proposed. The procedures fully describe the key technology of data capturing, processing and mapping of the building elevation spaces. This technology can improve surveying and mapping efficiency and precision of the building elevations. Key words:3D laser scanning; point cloud data; building surveying and mapping; elevation

2014-12-04

吕宝雄(1981- ),男,甘肃省会宁市人,工程师，主要从事三维激光扫描技术工作.

P283.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.008