地面三维激光扫描技术在建筑物立面测绘中的应用

胡玉祥，李勇，张洪德，王智，2，孟庆年

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛市西海岸基础地理信息中心有限公司，山东 青岛 266000)

1 引 言

伴随着三维激光扫描技术的发展，利用扫描仪快速获取三维空间信息，真实还原建筑物的三维实景，成为近几年迅速发展的热门话题。激光扫描仪本身具有很高的测量效率、较高的测量精度、动态反映物体实景等优点，为科学准确地建立数学模型提供了一种全新的技术手段。相对传统的测量方法，三维激光扫描技术可以在单位时间内获取精度高、数据量大的三维空间信息，且可以连续反映被测物体的空间特征，提高了测量的效率和精度，成为国内外研究的热点[1]。

传统建筑物立面测量通常是利用全站仪获取建筑物各角点(特征点)的三维坐标，结合测距仪等测量手段，获取建筑物的细部尺寸，然后利用CAD等成图软件绘制建筑物立面，生成数字线划图。这种手段投入人力大、测量效率低、工期长、工作量大。针对上述缺点，本文结合青岛市勘察测绘研究院新购置的徕卡新一代高精度三维激光扫描仪P40，探索三维激光扫描技术在建筑物立面测量中的应用，对P40外业作业流程以及内业数据处理进行了论述，同时对点云提取建筑物特征点、线等精度进行了验证，结果表明通过三维激光扫描手段完全可以满足建筑物立面测绘要求。

2 基础理论

三维激光扫描仪的主要构造是一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。地面三维扫描系统一般使用仪器自定义的坐标系统：坐标原点位于扫描仪中心，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴垂直于横向扫描面组成左手坐标系，如图1所示。

图1 扫描坐标系

激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号测算出原点O距激光扫描点的距离S；激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精确控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描，测得每个脉冲激光的横向扫描角度α和纵向扫描角度θ。由此，可计算出扫描激光点在被测物体上的三维坐标为[2]：

(1)

3 作业流程

三维激光扫描仪作业流程主要涉及外业扫描以及内业数据处理两部分。外业扫描主要涉及现场踏勘、控制点选埋、标靶布设、架站选择以及数据采集几部分；内业数据处理主要涉及坐标转换、点云拼接、点云优化、点云融合、点云切割以及平立面绘制等环节。如图2所示。

图2 作业流程

3.1 外业扫描

(1)控制点选埋

地面三维扫描系统可以进行绝对扫描和相对扫描，如果外业扫描过程中给标靶绝对坐标位置，则可以直接获取建筑物的绝对坐标点云数据。这就需要在被扫描建筑物周边布设一定量的控制点，控制点布设以方便利用为原则：控制点的精度要高于建筑物点云精度要求；一个控制点至少与另一个控制点进行通视。具体控制测量布设遵循《城市测量规范》(CJJ/T8-2011)具体要求。

(2)标靶布设

P40在扫描过程中只识别配套的黑白标靶，布设标靶的目的是使整个扫描点云数据统一到绝对坐标系中。同时，标靶布设精度影响后续点云的拼接精度，因而标靶布设要考虑网形。为保证坐标转换精度，公共标靶尽量和测站点不要在一条直线上；标靶和测站必须通视，且距离测站不要太远，最远不能超过 75 m。

(3)数据采集

P40外业数据采集过程类似于全站仪操作，大致包括对中整平、仪器安置、扫描参数设置以及换站等几个过程。P40主要性能指标如表1所示。

三维激光扫描仪性能参数 表1

3.2 数据处理

(1)坐标转换

如果外业扫描过程中未使用绝对坐标系，三维激光扫描仪扫描的点云仅是点与点之间的相对位置关系，这就需要坐标转换。坐标转换通过公共点(公共标靶)来计算转换参数，转换过程通常利用布尔莎7参数模型，即：

(2)

式中，3个平移参数[△X△Y△Z]T，3个旋转参数[εXεYεZ]T和1个尺度参数m，无单位。

(2)点云拼接和优化

点云拼接是将多站扫描数据拼接到一个整体的过程，一般有两种方式：基于标靶的拼接和基于点云视图的拼接。如果各站测量都是绝对坐标系下扫描得到的，则不需要拼接，直接把各站扫描数据拷贝到一个Model Space下即可形成一个完整的整体。如果外业采集使用的是标靶相对坐标，则需要进行基于标靶的拼接，此过程即是寻找同名标靶并进行坐标转换的过程。然而有些时候为了外业作业方便，在外业扫描时不采用标靶，直接重复一定数量的公共区域，此时可以利用两站直接的公共区域进行基于视图的拼接，基于视图的拼接即通过人眼判断点云的公共区域，寻找重合点，通过视图的平移和旋转，使得两站数据拼接在一起的方法，此方法操作简单，但受人为因素影响较大，一般不建议使用，除非特殊情况下才可以有视图拼接。

(3)点云融合和去噪

点云融合就是将不同站点的点云数据合并在一起的过程，在外业扫描过程中，每站都会有很多的重合点云数据，将各站点点云数据拼接在一起就造成点云数据的重叠，点云融合的目的就是根据点云归一化算法将重叠点云进行优化的过程；在扫描仪的原始点云中往往包含若干对于成果处理有不良影响的点，点云去噪就是根据一定的点云滤波算法，让有效点保留，无效点删除的过程。

(4)平立面绘制

徕卡P40专业点云后处理软件Cyclone具有良好的可扩展性，通过开发相应的插件可以实现点云数据与一些专业绘图软件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)进行互通。首先进行坐标系的旋转和网格建立，定义参考面，使得点云便于人眼识别提取，然后利用Cyclone进行点云的切片处理；利用CAD插件CloudWorx导入切割好的点云数据，在CAD中提取建筑物的特征点、线，绘制建筑物的平面、剖面和立面图。

4 工程应用与分析

中国海洋大学鱼山校区内拥有众多历史古建筑，保留较为完整，至今仍在发挥作用，作为教学楼使用，其中最为典型的是俾斯麦兵营。受中国海洋大学委托，青岛市勘察测绘研究院承担海洋大学鱼山校区校园内建筑物BIM建模工作，而在建模过程中很重要的一步便是绘制建筑物的平立面图，而建筑物平立面测绘传统方法费时、费力。

本文利用青岛市勘察测绘研究院新购置的徕卡P40三维激光扫描仪，结合与仪器配套的三维点云数据处理软件Cyclone 9.1及AutoCAD点云数据处理插件CloudWorx，探索三维激光扫描仪在建筑物(以海洋大学某旧教学楼为例)立面测绘中的应用，同时与全站仪测量结果进行对比，验证三维激光扫描技术提取建筑物点、线精度。

(1)按照上述作业步骤进行外业扫描和内业数据处理，生成海大旧教学楼的平立面图，如图4～图9所示。

图3海大旧教楼全景图

图4 海大旧教楼正面图

图5 海大旧教楼立面图(南)

图6 海大旧教楼立面图(北)

图7海大旧教楼侧视图(东)

图8 海大旧教楼立面图(东)

图9 海大旧教楼一层平剖面图

(2)点云提取点、线与全站仪等传统测量方法精度比较

本文对海大新教学楼提取15个特征点，利用全站仪测量坐标与点云提取坐标进行比对，求得点位中误差，如表2所示：

点云数据与全站仪测量结果对比 表2

对建筑物特征线提取12条边，与全站仪测量结果进行比对，如表3所示：

点云数据与全站仪测量结果对比 表3

从表2可见，除个别特征点(8、9、11、12)，边(2、8、9、10)与全站仪对比较差较大( 3 cm～4 cm左右)，其余较差较小；经实地查看和内业查找，特征点8、9、10处存在较大接触面，另外与人眼识别误差以及外业扫描入射角度有较大关系。

由上可以看出，利用架站式三维激光扫描仪P40绘制建筑物平立面图点位中误差在 2 cm左右，边长中误差在 3 cm左右，根据《城市测量规范》(CJJ/T8-2011)要求，P40完全可以满足建筑物立面测量精度要求。

5 结 论

随着社会的发展以及技术进步，三维激光扫描得到了越来越广泛的应用，本文探索将三维激光扫描技术应用到建筑物立面测绘中，对三维激光扫描仪P40的作业过程进行了阐述，结合专业的点云后处理软件Cyclone，对扫描仪内业数据处理过程进行了重点论证。通过实际项目验证，利用P40提取建筑物特征点、线中误差完全可以满足建筑物平立面测量精度要求；相比传统测量手段，三维激光扫描技术有其独特的优势，同时点云数据可以供其他方面应用，三维激光扫描技术为建筑物立面测量提供了一种全新手段，具有很好的实用意义。

但从目前来看，三维激光扫描技术在测量领域的应用潜力还有待进一步的开发利用。随着多源传感器的迅速发展，多源数据融合有待进一步研究，三维激光扫描技术势必会得到更加广泛的应用。