基于3D激光扫描技术在建筑立面测量中的应用

黄雪

（广州市市政工程设计研究总院有限公司）

1 三维激光扫描技术基本原理

1.1 基本原理

3D激光扫描技术，即“实景复制”技术。其原理为：通过脉冲测距法取得距离值s，精密时钟同时控制编码器测量每个激光光束的横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ[1]，并对扫描点的反射强度I进行记录，然后利用内置数码相机实现图像实体信息的获取，从而获得扫描点的颜色信息(R、G、B)，前三种数据利用计算公式(1)。

对扫描点P(X、Y、Z)的三维坐标值进行计算。在后续处理点云数据期间，扫描点的反射强度和颜色信息则被用于提供实体边缘位置信息和颜色纹理信息等。坐标系为系统内部坐标系统。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内垂直于X轴，Z轴垂直于横向扫描面构成右手坐标系[2]。

1.2 基本流程

基于3D激光扫描技术的建筑立面扫描工作流程（见图1）：

3D激光扫描系统能够通过对目标对象执行3D激光扫描[3]，并且能够渗透到人类难以触及的现实环境与空间中，并在计算机中直接呈现获取的三维数据。3D激光扫描系统输出点云数据，并且在计算机中预处理点云数据，接着进行实体表面模型的重建，并且以该模型为依托完成后续处理工作。

2 工程实例

2.1 工程概况

测区位于城市市中心繁华地带、高楼林立、行人络绎不绝，道路车流量大、车速快，绿化树木高大茂密。

工作内容为对道路两侧建筑立面，两侧建筑台阶平面、高程进行测量工作，获得建筑立面数据、建筑台阶平面位置及坐标、标高等成果数据，为其后期城市建设与规划、街道整治、日照分析等提供详细的数据支撑和参考依据。

图1 基于3D激光扫描的作业流程图

2.2 测站布设

使用三维激光扫描仪进行测量时，请确保选定的工作站覆盖完整测量区域，尤其是对建筑物的侧面、边角以及房顶的覆盖。由于测站之间的建筑点云密度可能存在不足[2]，因此应当确保该范围拥有足够的重叠，为数据处理时进行选择同名点配准提供方便，配准后测站范围边缘处稀疏的点云可以通过相邻测站的点云来补偿，当点云重叠度达到足够密度的情况下，则能够进行自动精确配准。布设测站时，还需要综合考虑仪器本身性能，工作人员必须是熟悉扫描操作的技术人员[3]。

该项目使用Riegl VZ-400三维激光扫描仪进行数据采集，该扫描仪的辐射最大半径为600m。因为测量区域大,需要采集的数据量多，针对建筑立面进行图形绘制,数据采集点间距拟控制在2～5mm范围之内,测站间距拟控制在10～20m范围之间，根据扫描现场地形、地势、以及通行通视情况进场测站布设。

2.3 扫描作业

使用三维激光扫描仪扫描作业时，主要有两种操作方式。①使用计算机控制激光扫描仪获取数据，优势在于能够根据测量区域设定单站扫描起止角度，作业准备时应该明确仪器零角度方向，完成扫描后能够直接观察计算机中的扫描数据质量；②使用仪器进行360°全景扫描直接获取数据，并且在扫描过程中必须注意测站编码。虽然该方式无法监控现场数据质量，但是节约人工成本。

该项目使用方法①进行作业，既方便检查计算机中呈现的扫描数据，又便于监控数据质量，而且测量精度必须符合相关技术规范的要求[1]。数据获取完成后，查找出数据不完整和缺失位置，并对缺失的部分实施补充测量[2]。并且应该根据作业地点的实际情况，为提高工作效率及数据采集质量，最大程度减少人为因数的干扰，选择在人流车流较少的时段进行。

2.4 数据处理及配准

由于目标建筑物的全貌无法由一站扫描点云图完整获得，因此不同扫描站获得的点云分别存在于各自的局部坐标系中，需要将每个局部坐标系配准到一个统一的坐标系中。该项目使用RieGL公司的软件RiscanPro进行数据预处理和配准。在预处理数据之后，需要在测站之间进行配准，首先需要初始配准，通常有以下两种方法：

①当同名点特征明显时可以选择同名特征点的方法用于配准，并按照相关规定控制选取同名点的数量，即大于等于四点；

②未配准站可以运用人工交互式移动测站的方式，移动至已配准站的相应位置。

初始配准是将n个局部坐标系的点云粗略对应到一个相同的坐标系，精度较低；还需进一步提高配准精度，故引入二次精确配准，即迭代最邻近点ICP自动精配。

根据实际情况，项目选择第一种配准方法；选择两站四对同名点，并根据匹配点对的几何特征，计算刚体变换矩阵，从而完成初始配准[2]。配准过程中，控制站间误差小于3mm，站间误差最小值为0.3mm，完全达到线划图描绘的使用要求[3]。配准完成之后，原始数据将被统一转换至.imp数据库中[3]。

另外，在配准完成形成点云模型之后，坐标系是扫描仪测站的自定义坐标系，但是它不满足建筑立面线划图的绘制要求。因此，在绘图之前，需要根据主体建筑进行转换，存储方式为建筑坐标系。

2.5 立面图测制

使用Geomagic软件进行点云预处理，不必要的噪点和地物数据需在制作过程中删除，有效保留重要的目标面点云数据。

1)立体模式特征点提取。该方法要求操作者在计算机中以立体观测模式选取点、面，然后进行三维测量，并测量提取的特征点，使用AutoCAD软件编辑成果图；由于基于立体观测模式中数据量较多，以及观测视角和主观判断影响了测标切准目标对象点的正确性，导致操作者需要反复确认观测变换的视角，从而降低了工作效率。

2)平面投影描图模式。该方法有效改善了使方法①中的缺点，即立体测量操作者需要反复确认观测变换的视角，导致效率低下；运用自主研发软件中的投影功能，对点云数据进行主平面投影，并且每次锁定单一平面进行编辑，然后对立体点云中非当前对象上的噪点和干扰点进行排除、删除，并将投影后获取的对象点云数据导入AutoCAD，在平面上进行矢量化描绘；有效简化了立体观测，工作效率显著提升。

3)外业调绘、修补测。对于大面积缺失，使用激光扫描仪进行补充测量；对于小面积缺失，通常使用诸如：钢卷尺、测距仪、全站仪等传统测量工具进行补充测量。根据现场草图调绘、修补测数据，在AutoCAD中绘制成果图。

本工程根据建筑坐标系下的点云数据，与平面投影描影像相结合，使用AutoCAD制定比例并制作线划图（见图2）。

图2 建筑物轮廓线图

3 结语

3D激光扫描技术是迅速发展并兴起的全自动高精度立体测量技术，有效补充了传统测量方法；并且能够无接触、重叠度高、准确度高、获取数据迅速而详细，作业流程得到简化，作业形式得到优化，而成果内容更加多元；随着三维激光扫描技术的不断革新与完善，使其能够推广和应用于更多测绘及其他领域[3]。