三维激光扫描技术立面测量关键技术与应用

汪 文

（广东友元国土信息工程有限公司，广东 广州 510000）

0.引言

立面图是建筑物投影到与其平行的平面后获得的投影线垂直于基本投影面的正投影图，称为建筑立面图，简称立面图[1]，建筑物立面图是城市改造、建筑物内外部装修重建的关键依据，是施工设计顺利进行的重要保障。精确绘制的立面图能清晰展现出建筑物外部特征以及立面装修情况，同时能够反映墙体的表面、窗户、阳台、遮阳板、台阶、勒脚、雨棚、门、柱子等细节构造以及各部位尺寸大小。立面图根据不同的分类方法可以分为不同的种类，一般有3种分类方法：（1）以建筑物两端定位轴线分类；（2）以建筑物墙面朝向进行分类：南立面、北立面、东立面、西立面[3]；（3）以建筑物特征命名：正立面、背立面和侧立面。

三维激光扫描技术通过激光脉冲无需配合其他设备，不接触被测物体，主动测量，实现了点云数据大面积、高分辨率地快速采集。点云数据是大量三维坐标点的集合，点云中可提取出被测目标，线、面、体等空间结构信息，并根据采集的点云重构出实体目标的真彩色的三维模型，是一种实景复制技术。

传统测量方法只能通过皮尺、测距仪等技术低的测量工具，对建筑物的立面进行长、宽、高等方面的数据采集。同时这类测量方法存在耗时长、费用高、效率低等缺点，这就给立面测量增加了很大难度。而目前三维激光扫描技术在进行立面测量时无需接触扫描，可快速以点云数据的形式采集建筑物外立面的数据，极大程度缩短了将采集到的点云数据转换成计算机可以识别处理的数据的时间。与传统测量方式相反，这种测量技术具有耗费时间短、精度高、效率高、实时接收、数字化等优势，这为测量建筑物的外立面图提供了一种更快、更方便的测量方法[3]。因此具有容易受到外界环境影响的特点。传统的测量方法在立面测量中逐渐被淘汰，而三维激光扫描测量技术逐渐被人们熟知与使用。

1.三维激光扫描立面测量关键技术

1.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描系统的构成可分为3大部分，包括电源部分、控制部分（计算机）、扫描仪。扫描仪作为三维激光扫描系统的关键组成，其内部主要可分为激光扫描和激光测距两大部分，除此之外扫描仪内部还兼有CCD、控制和校正系统等，其测距原理是通过计算激光脉冲发出后经被测物体反射返回传感器的相位差，从而得到目标点P到扫描仪的距离D。扫描仪的反射镜进行快速旋转，不断发射窄束激光脉冲，同时再由扫描控制模块测量每个脉冲激光的横向扫描角度观测值a和纵向扫描角度观测值b，这样就得出了角度和距离，从而就可以计算出P点的三维坐标[4]（如图1所示）：

图1 三维激光扫描坐标计算

1.2 三维激光扫描技术优势

（1）对实测目标要求较低。由于大多数文物古建筑等不能进行近距离接触，而且年久失修工作人员无法接触，三维激光扫描仪能完成这类要求，不用与被测物体接触，能在测量人员难以到达或危险较大的地区进行测量。

（2）观察环境要求低。大部分三维激光扫描仪具备较高防水性，雨天或夜间均可进行测量工作。

（3）测量精度高。可以满足建筑立面测量的精度要求。

（4）丰富的数据采集。全站仪获取目标特征点的数据存在局限性。三维激光扫描仪的高采样率，更详细地绘制测量物体，并且当出现不满足要求的问题时，无需进行重测，只需调出测量的点云数据进行检查并修改。

（5）无需瞄准，全方位测量，自动化程度高，外业工作效率高。

1.3 数据采集及处理流程

外业数据扫描采集决定点云数据质量的好坏，首先需要进行现场环境勘查，初步制订外业采集计划。采集时需考虑扫描的精确度、数据重叠度等情况。外业采集技术要点包括：采样间隔、设站位置以及数据质量检查等。

（1）采样间隔。采样间隔的大小决定数据质量的好坏，根据要求选择采样间隔，一般情况采样间隔小、数据量大，数据分辨率高、质量较好，但采集时间较长，通常图纸与建筑实物的比例小于1∶100时，采样间隔可选择8mm[5]。

（2）选择设站位置。根据前期勘查工作选择初步设站位置，并根据现场临时情况合理选择设站点，保障重叠率，提高外业采集数据质量与外业采集效率。在现场遮挡情况小，视线开阔的区域可增加两测站距离，在现场情况复杂，靠近被测目标时可加密测站。同时针对建筑物特定细部特殊要求可进行多次重复扫描，以提高该位置清晰度。

（3）数据质量检查。每测站完成后需进行数据初步检查，检查内容包括，被测目标主体情况，是否受瞬时环境（如，行人、车辆等）影响，确保重要内容不被遗漏，同时顾及后期点云拼接，检查重叠率是否满足，一般需保证30%.重叠率，存在问题时，需增加测站重复采集，检查无误后可进行下一测站的数据采集。

三维激光扫描建筑物立面测绘流程（如图2所示）：

图2 三维激光扫描建筑物立面测绘流程

2.点云预处理

2.1 点云去噪

三维激光扫描仪在进行外业工作时会将被测物周围进行实景复制，在被测物周围能反射脉冲信号的物体均能被采集，由于扫描的数据种类繁多，因此初步采集完成的点云数据存在大量的噪点，类似树木、道路、车辆等，多出来的噪点会增加数据存储空间，减缓生产进度，影响正常工作，选择其中一些不需要的点，需要对其进行去噪处理[7,8]。进行点云去噪处理选择使用RISCAN PRO软件。点云人工去噪过程中，一般将视图设置为正射，方便噪点删除，减少出错提高测绘数据的准确性。对于明显的噪点，可通过软件视角转换功能，不断转换视角，进行人工手动删除。存在数据过大的问题，可对其进行分区处理（如图3所示）：

图3 局部区域图截取

图3中，道路两旁的树木是不需要的数据，需要剔除掉。全选该区域，单击Riscan中“Terrainfilter”按钮，在settings选项里设置成“Vegetation”，单击OK（如图4所示）：

图4 区分后效果图

红色所选的即为需要剔除的数据，将其删掉完成去噪。

2.2 点云拼接

2.2.1 粗拼

点云拼接是两两进行拼接，首先选择需要拼接的数据，以一个站为基准站，即这个站不发生移动，操作：右击基准站选择第一个，弹出一个操作栏。以第一站为基准站，通过选择translate（距离）和rotale（旋转），这里选择use fixed offset 通过更改变化尺度进行移动和旋转，这里设置一般从大到小进行设置（1，0.5，0.2），通过点击control下的坐标系，利用鼠标左右键控制方向，将两个点云数据大致拼接到一起。同理若有多个站，则每两站进行拼接，拼接好的数据设定为基准站，进行粗拼工作。

2.2.2 构建三角形平面

通过点击测站前面的地球可以显示和隐藏测站点云数据，利用工具栏中的将测站的数据进行全部选择，点击工具栏中的Polar trianglation进行构筑三角形平面，输入最大三角边，三角形最大内角、最小内角、深度值，确定就能构筑出三角形。

将所有测站都构筑完三角形，点击Registration-start adjustment（如图5所示）：

图5 数据记录

2.2.3精拼

选中所要精拼的测站右击选择Edit，出现两组数据，一组是指平移限制，下面是旋转限制，例如，两个测站的误差是0.5，它精拼移动不能低于0.5需要设置一个上限限制它的范围，一般上限设置的要求要比原始误差大一个数量级，这里上限可设置为0.5，下限可设置为0.05点击ok。

图6 拼接精度

拼接精度窗口（如图6所示）所出现的评价中误差一般为2-3cm，通过调整角度、距离等要素，进行精度控制。

然后通过右击其他测站进行精拼，或者通过右下方的调整，仍旧是从大到小进行设置变化尺度，进行调整，最终完成点云拼接工作。选择锁站可以锁住平面，但是不锁住旋转，选择完全锁站表示既锁住平面，又锁住角度。

再次点击TPL（PRCS），删除里面的数据。然后依次点击每个测站的TPL（PRCS），将里面的数据复制到总的TPL（PRCS）中去。（TPL（PRCS）内是人工选择的中心位置，与实际位置之间会有一定的偏差，需要进行偏差消除才可进行的精拼，精拼完之后这些位置都发生了变化，会导致数据不准确，甚至出现错误，需把精拼生成的数据复制到里面，替换原有数据）。点击总的TPL（PRCS），选择整个数据。将误差控制到1cm以内，完成所有拼接工作。

拼接的思路主要是以控制点为基准，每个测站都有自己的一个独立坐标系，首先我们通过选取的反光片中心坐标与实际坐标相互匹配，匹配之后完成粗拼，将所有的独立坐标系转换到工程坐标系中，进行精拼，精拼之后汇总到一起与已知控制点联系，从而使每个点转化到大地坐标系中。

提高点云数据精度的措施主要包括以下几个方面：（1）合理设置三维激光扫描仪器的参数，由此可以提高扫描数据的准确性；（2）设置有效的参考点，由此改进扫描的数据；（3）尽量避开不利的外部环境，由此提升扫描的质量；（4）提高测站之间的公共区域的点云数据的重叠度从而进一步提升拼接的精度；（5）根据不同仪器的精度，控制合理的扫描范围。

2.3 立面图绘制

点云拼接完成后，进行点云分割，并将点云转换到正立面方向生成dxf文件[9]，（如图7所示），将dxf文件导入CAD，以dxf为底图绘制建筑物立面细节（如图8所示）：

图7 部分点云分割正立面图

图8 建筑物立面细节

3.精度分析

根据《GB 50026-2016工程测量规范》要求对建筑立面图成果图进行平面位置及高程精度进行评定[10]，点云中误差（如表1所示）：

表1 点云中误差

共选取9个检差点进行精度评定，精度分析（如表2所示）：

表2 平面及高程中误差统计表

由以上结果并参考《GB 50026-2016工程测量规范》可得，三维激光扫描技术进行立面测绘所获成果精度满足要求。

4.结束语

传统全站仪获取目标特征点的数据存在局限性。三维激光扫描技术完成了传统的单点测量方式的巨大改变，具有高速、不用接触被测物体、密度大、自动化，出现不满足要求的问题时，无需进行重测，只需调出测量的点云数据进行检查并修改。同时三维激光扫描技术不需要合作目标，不与被测物体接触，能在测量人员难以到达或危险复杂的地区进行测量。

本文讨论了从外业数据采集的关键技术、点云预处理、立面图成果精度评定等方面详细总结了三维激光扫描技术建筑物立面测绘关键技术，实践证明该方法具有很好的适应性，同时扫描仪易受建筑物周围树木遮挡，测量选站存在难度，数据噪点较多，点云自动化去噪将是接下来研究的重点内容。