基于三维激光扫描技术的城市建筑外立面测量体会

黎东昇 茂名市建设工程质量检测站

为了能够更好的提高城市形象，改良现有的居住环境，目前大多数城市都在努力进行城市建筑外立面的提高改造。很多老建筑因为自身年代久远，当初很多设计以及改建等相关的活动资料都早已不见踪影[1]。所以对建筑现状的调查以及测量具有非常深刻的价值。常规的建筑立面测量方法涵盖了经纬仪交会法以及钢尺测量等，不过测量总体劳动强度大，自动化程度并不高，测量高度受限，对测量的环境具有非常严格的要求。如果需要给城区临街建筑的外立面进行测量，还需要解决来往车辆以及行人等造成的遮挡难题。外业搜集实施的难度相对较大，总体效率较低。地面三维激光扫描技术并不接触测量目标，可高精度以及自动化的采集测量目标的三维点云，为建筑物建模拟及外立面改造提供现势性强的现场资料。

一、三维激光扫描技术特点研究

三维激光扫描技术属于主动式的测量技术，利用自身内置的激光发生器，通过极高的频率向周边环境发射激光束，利用计时元件详细记载激光束从由目标点反射回来的脉冲信号同激光束发生的时间差，转变为测量的距离，同时叠加上激光束的方向信息，利用相关的坐标转换，获取周边环境中地物表面的密集点云。激光束的发射频率通常情况下，能够达到百万点每秒，所以能够应付大面积以及高效率的测量任务，譬如对于大片的城市建筑外立面测量更为符合。其技术特点在于，首先搜集数据的完整运用常规的全站仪等测量工具时，照准部的视场狭窄，在大仰角测量时，瞄准目标难度大，所以必须把仪器摆设在距离测量目标一定的距离外，城市高层建筑高度很多将近百米至几百米高，找寻适合的设站点难度大，所以搜集建筑物的信息时，概括性大，立面上搜集的碎部点数量相对稀少，因为其他地物的遮挡问题，无法确保建筑外立面搜集数据的整体性。三维激光扫描仪受到仰角限制小受仰角限制小，排除仪器底部外，可取得周边环境中不同方向的区域数据。排除对仪器的设站点要求低外，三维激光扫描技术能够迅速取得高密度的建筑物立面点云，可搜集细小的建筑物附属结构等的三维形态，更加全面地搜集建筑物的立面信息[2]。

其次就是测量精度高，三维激光扫描仪的单点精度同全站仪相同，属于精密测量设备。通常激光束相关的光斑大小在百米处没有超出2cm。距离测量精度能够实现毫米级，坐标精度毫米级。

然后就是自动化程度高，常规的经纬仪以及测距仪等都属于单次测量，碎部点的搜集，必须借助大量的人工。三维激光扫描技术运用了激光测距仪以及不同软件的特点，无须大量的人力，实现全自动化数字测量。

最后就是工作效率，常规的测量方法必须进行多人协作完成测量任务，譬如观测人员以及记录人员等。全站仪免棱镜观测也需要依靠观测人员。三维激光扫描仪实现了单点测量的受限，常规测量工具必须进行碎步点对准测量，总体效率不高，同时还必须构建繁杂的控制网联系不同数量的测站，在一定程度上加大了工作难度。一旦碰到建筑立面结构繁杂等情况下，总体测量工作迟缓。三维激光扫描技术在一次测量中，就能够急速测量几百万个目标表面点数据。一次设站，只需要数秒以及数分钟，就可搜集海量的建筑物表面的空间点位信息，取得精确的建筑表面数字模型。三维激光扫描技术能够给建筑物立面测量提供了一种高速度以及自动化的解决方法，较为符合在城市景观提高改造高程中实施运用。

二、建筑外立面测量作业流程

运用三维激光扫描技术进行建筑物立面测量，大部分涵盖了外业数据搜集，以及点云数据处置，绘制建筑外立面图等步骤，具体见图1。

图1 三维激光扫描技术测绘建筑物外立面工作流程图

（一）外业数据搜集

由于受到测量距离以及遮挡等要素影响，三维激光扫描仪很难一次完成具体的测量任务，必须在不同测站上，依次扫描后，利用点云处理软件实施拼接，才可构成完整的测区点云数据。为了能够最大程度的保障拼接精度，施工的工程在相邻测站相互，可运用3个标靶球以及凸显的地物特征点做公共点和连接点。三维激光扫描仪全自动数字搜集，只需要把仪器整平后，就能够开展工作，按照设定的扫描范围自动终止。具体实施过程中，安排2名测量人员协同作业，一人负责操作仪器，另外一人运用高分辨率单反相机搜集建筑立面信息，同时仔细勘察周边环境，预先设计布设的测站数以及设站点，放置标靶球时，注意3个标靶球产生的三角形的图形强度，确保标靶在两站扫描时没有出现移动。扫描时，最好让建筑物信息搜集保持完整，控制测站数量的基础上，必须兼顾拼接质量。因为车辆和周边建筑物外围的附属物等要素感染，在每站扫描完成后，浏览扫描结果，必须充分保障没有遗漏重要测量内容。对出现遗漏的位置，在另一站扫描时进行改良，两站点云还必须保障有40%左右的重合率。

（二）点云数据处理

本工程运用Cyclone软件实施点云数据的处置，以及AutoCAD软件绘制矢量图。工艺流程涵盖了点云拼接以及点云分割等环节。譬如点云精简，因为点云数据量较大，对于之后导入AutoCAD中绘制矢量图具有一定的影响，所以必须对点云实施适度的精简。精简大部分都是对重叠区域点云的精简等。软件中设计了不同类型的采样方法，如随机采样以及曲率采样等。

三、结语

传统的建筑外立面测量方法具有一定的不足，无法充分符合大范围，以及机动性的城区建筑立面改造提高所需。随着相关技术的快速进步以及设备价格的下降，未来三维激光扫描仪，必定会在城市改造提高项目中，得到充分的运用。