三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用

张 立，宋 莉

(四川交通职业技术学院，四川 成都 611130)

传统的建筑立面测量使用“全站仪免棱镜测量+手绘草图”相结合的方法。使用全站仪测量门窗等结构的每个角点，并辅以草图说明，内业处理时将三维坐标转换成立面的二维坐标，绘制出建筑立面的CAD文件。

这种作业方式在面对古建筑等结构系统较为复杂的情况时，需要测量的结构点非常多，工作量大且不容易记录，效率较为低下。因此，有必要对原有的工作流程进行改进，以完成更多类型建筑的立面测图任务。

三维激光扫描技术，又称实景复制技术，可以快速重建出整个建筑物的全部空间几何特征，以1∶1的真实比例呈现在计算机中，其数据格式为高密度、高精度的点云数据，利用该数据结合相关软件可以快速精确地制作建筑立面图形。

1 三维激光扫描立面测图方案

1.1 现场作业

为了保证原始数据的精度及工作的便捷度，外业扫描宜采用架站式三维激光扫描仪。

本次采用的型号为天宝TX8，该型号设备采用闪电激光技术，将相位测距技术与脉冲测距技术结合，可以在高速扫描的同时，达到高精度和远距离的目标，其测距精度为1 mm，测程340 m，扫描速度为100万点/s，2～3 min即可完成1个扫描测站。

内业制图可以使用支持点云的制图软件，如AutoCAD和Trimble Business Center，将基础点云导入后，制图流程与之前的作业方式一致；也可以直接使用专业的点云处理平台，如Trimble RealWorks(以下简称TRW)进行立面绘图。TRW软件集点云配准、点云编辑、点云制图、点云检测、点云建模等功能于一身，可以实现将TX8获取的点云数据从配准到制图整个流程。

1.2 方案实施

1.2.1 外业扫描

TRW软件提供了基于平面点云的全自动配准功能，外业扫描可以采用无标靶作业方式，扫描作业时只需保证相邻两站之间有一定的重叠度，扫描到相同的平面特征即可，极大地提高了外业扫描效率。

为提高全自动配准的成功率还需要注意以下几点：

(1) 只有垂直面参与全自动配准的初始化计算。地板、天花板、桌子等水平面在最后阶段用来精化配准及管理不同楼层。

(2) 小于30 cm×30 cm的平面会被忽略掉。

(3) 配准两个测站，至少需要3个公共平面。

(4) 非常对称的地方，在场景中增加些额外的面状对象能使成功率最大化。

(5) 扫描包含表面和纹理的平面能获取更好的点云。如1个典型的中性色办公室能扫描出较好平面，而玻璃结构则无法得到。

(6) 尽量以1个较高的入射角扫描平面。

(7) 如果扫描了多个楼层，建议首先将同一楼层的测站数据放进1个组，执行一次全自动拼接。然后再将多个楼层的组选中，对整个项目执行一次全自动配准。

(8) 如果项目需要对室内外进行扫描，建议在门口的位置架站，方便后期点云处理。

1.2.2 点云配准

使用TRW软件的全自动配准功能，一键将所有测站拼接起来。配准时需要选择1个基准测站，基准测站配准过程中保持坐标不变，其他测站会与基准测站寻找公共部分，并通过平移旋转拼接到正确位置，因此基准站必须是水平测站。全自动配准具体过程如下：

(1) 粗略配准。系统分析每个测站中所有竖直面并进行编号，计算出各个测站之间匹配的唯一解。

(2) 精化配准。系统分析每个测站中的所有水平面，对配准结果作进一步优化；然后使用迭代最近点法(ICP)使得两个测站的点云数据拥有最大的重叠率，并使得重叠区域有最小的残差值。

(3) 提取预览点云，预览点云相当于步长为6进行采样。步长采样的原理为：将当前测站的点云数据视为一张以仪器位置点为中心的全景图，每个三维点视为1个不会被重叠的全景像素，当所有像素均被提取时，步长为1，当每6个像素提取1个三维点时，步长为6。使用步长采样可以快速获取轻量化的稀疏点云，并保持现实世界的结构特征，有利于在自动拼接结束时，快速对拼接质量进行检查。

测试地点1为一条历史建筑街面，共扫描24站，每个测站扫描2 min，外业总用时不到2 h。全自动拼接用时30 min，拼接完成后为自动显示配准报告，报告显示点云配准整体精度为4.7 mm。如图1—图3所示。

测试地点2为一处别墅，现场扫描8站，外业用时30 min，全自动拼接用时10 min，拼接精度为1.5 mm。如图4、图5所示。

1.2.3 点云编辑和去噪

点云配准完成后，需要将点云进行分割和去噪。TRW软件提供基于点云几何特征的快速自动分类，可以将点云快速分类为地面、建筑、高植被、标杆，可以快速提取建筑点云数据，减轻传统手工分割分类的工作量，大大提高了内业处理效率。如图6所示。

1.2.4 立面绘图

建筑点云提取完成后，利用TRW软件的制图工具可以基于点云制作CAD图形。TRW中的制图工具可以基于三维点云绘图或锁定投影平面绘图。建筑立面图需要在不同方向进行投影制图，投影面的选择结果也会影响成图质量。TRW制图工具提供了多种投影面选择方式，如在同一平面点云中均匀点选3个点确定1个投影面，或选择出同一平面的点云用拟合方式计算出最佳的投影面。投影面确定后，直接利用线划工具根据点云进行矢量化即可。如图7—图9所示。

2 结 语

利用三维激光扫描技术获取建筑物完整点云，能够保证立面测量的绘图质量，一套数据即可满足绘图、调绘、质检等多种用途。天宝TX8激光扫描仪在2 min内即可获取整个全景视野中的三维信息，同时结合Trimble RealWorks等点云处理软件，可以根据建筑立面点云高效制作建筑立面图。精确详细的立面图能够为建筑物的治理、修缮及美化等提供数据支持，尤其是在城市建设和历史建筑保护项目中作用更加明显。综上，笔者认为基于三维激光扫描技术的建筑立面测图方案值得在行业内进行推广应用。