三维激光扫描仪在建筑物立面测量中的应用

莫永强

广州市城市规划勘测设计研究院 广东 广州 510060

引言

现阶段，三维激光扫描仪属于全自动精度较高的立体性扫描技术，其测量技术从点对点激光扫描测量设备发展至选用非接触性主动测量模式，作为对物体表层三维空间采样坐标实现飞速获取的测量设备。基于建筑立面测量方面，三维激光扫描仪自涌现与发展后，让传统建筑物理念的测量局限得到了积极克服，其不再使用简单工具测量建筑物的长宽高，如测距仪、皮尺等，则是无须接触建筑物即可扫描，而且能够转换获取的点云信息成为计算机能够处理的高效测量数据形式。针对性处理人工采集建筑立面信息时，导致的效率及精度损失问题，特别是可对高层建筑立面不能测量等问题进行强化处理。其主要优势包含较强实时性、速度快、无须接触、主动性、高精度、数字化等，其以提升激光扫描仪的测量方式，利用点云方式实现对建筑表层阵列几何数据的获取，并对建筑立面信息实现及时大量的收集，从而给建筑立面的测量供应新型技术。

1 三维激光扫描仪的操作原理与发展方向

1.1 操作原理

三维激光扫描仪是以激光测量距离，可以分析记录测物体反射率、三维坐标、建筑表层的纹理，并对被测物体点线面等相关数据实现快速提供，按照上述数据进行相应模型的快速构建并绘图，这对顺利开展后续工作意义重大。目前三维激光扫描仪市场上的流行仪器就是脉冲扫描仪，可对时间漂移理念实现合理运用。在如今社会上，三维激光扫描仪已经广泛用于诸多领域，如保护古代遗产、改造土木工程与建设、设计房屋建筑、规划建筑设计、认定交通责任、评估灾害等建设数字化城市方面。采用三维激光扫描仪全面扫描三维物体，并实现数据信息的及时获取，从而实现满足数字化物品建模的构建。

1.2 发展方向

第一台三维激光扫描仪于20世纪60年代涌现，直至90年代才实现一款与之相符的激光扫描系统的成功研制，而且其开始在高速数据的测量范围投用，伴随该技术越来越成熟，其开始在城镇规划工作中投用。国内三维激光扫描仪也处在完善更新阶段，迄今为止，很多建筑模型的建设流程中都使用了扫描技术，此类技术发展到如今，已然变成测量地形。监控灾害等区域的重要技术。

2 三维激光扫描仪的技术优势

在建筑物测量中，采用三维激光扫描技术的优势具体如下[1]：①不需要连线草图，因激光测速较快，因此对外业测绘进行全面测量，其具有完整的外业数据，因此不需要进行操作的绘制，仅需在内业中合理取舍，确保制图任务高效完成。针对与设计要求不符取舍，需要按照原始的点云数据合理修正，无须进入现场操作；②夜间及雨天复杂环境下作业，在三维激光扫描仪的使用中，应以高防水性为主，与远程工作方法结合起来，且无须绘制草图以及瞄准，因此无论是夜间或者雨天，测量人员都要在车内远程测量，此次测量任务很急时，就要在雨天或者加班加点开展；③透视投影并无变形，在摄影测量中，拍摄相片需使用透视投影，导致其变形相对明显，而激光扫描仪与全站仪相似可对距离与角度实现直接获取，因此其点位并未出现投影变形，所以点云结合影像后可能形成正摄影像，且具有较高的精准度；④不需要瞄准，激光扫描仪可对地面实现全面测量，因此地面上的激光扫描仪已经全面脱离必备物镜、目镜、瞄准器等，包括经纬仪、全站仪等设备，让外业员工无须承受大量观测任务所致的眩晕感，从而对外业进行自动测量。

3 三维激光扫描仪的技术路线

本文将工作实践结合后，采取三维激光扫描仪对地面上的建筑物立面进行扫描，具体操作内容如下。

3.1 仪器的正确选择

建筑物立面的测量工作需使用三维激光扫描仪开展，设备选型以RieGL VZ400，其参数具体如下：①扫描视场的范围需控制在360°×100°，即水平垂直；②扫描精度为3mm，间距控制在100m，开展单点扫描；③扫描间距反射率需控制在600m/90%。

3.2 布设测站

选用三维激光扫描仪开展建筑物立面的测量工作，需保证所选测站可对测区面进行全方位覆盖，特别是高层建筑立面的顶端即侧面，针对站站中间建筑物的点云密度显然不足，因此应确保重叠度充足，方便处理内页时，选择相同名点展开配准工作，完成配准以后，测站范畴外缘稀疏密度的点云需通过临近站点点云来弥补，在重叠度角度，点云可以自主明确的配置。在布设测点过程中，还需对仪器自身功能充分考虑，包括测成范畴、最大仰角、临近测量站等位置，选站工作者必须完全熟悉扫描操作流程。

3.3 扫描操作

采用三维激光扫描仪进行扫描操作中，所选用的操作方法如下[2]：①选择直接采集仪器后，开展全景360°扫描方式，在具体扫描过程中，需要对测站重视编码，此种方式不能对数据质量进行现场监测，但仍收获较高的操作方法；②三维激光扫描仪需使用电脑控制扫描，此种方法会按照测量范畴进行单站扫描起点与终点角度的设定，扫描前期相关人员需对仪器的角度方向深层了解，完成扫描工作后，需通过电脑对扫描数据的质量进行直接观察。

3.4 处理数据与配准

预处理数据与配置应该使用RieGL公司生产的型号为RiscanPro软件，完成数据的采集后，若是处于仪器之中，需要在电脑中导入相关数据，然后检查其质量，预处理数据泛指清理冗余数据，比如说删除电力线及植被等。通过对数据的预处理，需要配准站间，先展开粗配方法，具体可以选择如下方法[3]：①优选相同特征方式展开配准，此种方法适合在明显同名点特征使用，同名点最少应该选择四个；②按照测站的人工交互移动，移动没有配准的测站至已经完成配准的相应位置。完成粗配工作后，选择自动化ICP精配方法，确保配准精准度提升。

3.5 立面图的测制方法

采用完成处理的点云数据进行建筑物立面图的侧制定，具体方法如下[4]：①提取建筑物立面特征点。此种方法需由操作人员利用电脑通过立体化观测方法进行点面的合理选择，而后在CAD平台上绘图，因立体化观测方法容易产生大量点云，准确测标切准点会遭受观测角度与主观判断因素的约束，所以相关人员需重复观测与明确变换视角，这样一来，容易降低操作效果；②平面投影插图。此种方法可让测量人员在重复变换角度确定观测导致的低效问题，利用主动研发点云软件投影功能，展开主平面投影操作，意在每一次平面锁定才能编辑，将立体点云当中的干扰及时排出，将完成投影的目标点云在CAD平台中直接导入，然后扫描平面矢量化，避免立体观测复杂性，确保操作效果全面提升。本项目在具体开展中，集中选择上述两种操作方法，先运用第二个插图方法，对投影下无法分辨清楚之处，需选用第一个立体观测方法补绘。

3.6 外业测绘方法及补测

操作工具需使用测距仪、钢卷尺、全站仪，进行大范围缺漏测量，还需使用三维激光扫描仪进行补测。在CAD中根据外业测绘照片、外业补测数据制图。

4 建筑物立面测量中三维激光扫描仪的实践应用

4.1 建筑物立面的测量特点

在建筑物的立面测量中，对测量精度、细度提出很高的要求，且测量内容更丰富，需通过建筑外形详细数据的全面收集，而且建筑物立面的测量对测量和绘图水平提出很高的要求。在通常状况下，建筑物的立面测量工期尚短，这就对员工提出了短时内实现高精准度信息的获取要求，这在无形中可让测量难度最大化增加。例如，在测量城市建筑物立面时，开展测量工作必定会困扰到城市往来行人及行走车辆，但所需收集的信息非常多，容易增加测量人员的工作压力。所以在测量建筑立面工作中，通过三维激光扫描技术全方位的测量建筑立面，并进行高效快速扫描，可让扫描误差合理降低，提升测量操作效果，从而对传统工作中存在的问题进行妥善处理。

4.2 前期准备工作

点云数据精准度缺乏的主要因素有很多，如建筑物立面的测量环境扫描仪本身特点等。所以在扫描任务开展前期，需高度重视勘察现场环境，确保所选的扫描仪更合理。通过提前勘察了解到，部分测量范畴内人流上下班的高峰时段属于集中表现，在局域内，因树木较高且短时内不能避开，外加这个建设范畴内，建筑物高度一般很矮且地形相对平坦，所以运用高精准度、简单易操作特点的三维激光扫描技术。此类技术最大的测量间距需控制在450m，控制其测量精准度为8mm-100m范畴以内，时间段需选择每天上午的10点到下午3点，躲避上班下班高峰时段，确保数据的获取精度提升，并降低该区域所受影响至最低[5]。

4.3 建筑物的立面图绘制方法

在建筑物立面的测量工作中，重点步骤就是绘制立面图，绘制图形需要全面还原建筑物，给开展相关工作供应数据支撑。在建筑物立面图的绘制中，需采用相应绘制平台，其中价值最高的平台则是Microsation。该平台和计算机辅助软件中的设计系统需具备兼容性，并进行完成收集的点云数据进行导入，在平台上搭建辅助性坐标体系，给开展线化描绘操作提供保障，而后以此为前提，合理转换投影，最终修饰标注。在绘制建筑物立面图时，不仅需遵从以上操作流程，又要选择科学举措，保证数据更精确与测绘效率。

4.4 处理点云数据[6]

第一，在Trimble Realworks软件中传输测到的点云数据，并将自动配准工具用于配准功能的模块之中。此类软件会按照各测站中点云扫描几何特征判定其是否作为相同平面，并按照建筑平面几何特点，合理开展不同测站的点云配准。如果一些测站中计算机无法自动开展配准，需选用人工选择方式展开名点配准。在测量外业过程中，如果需要采用衔接靶标球进行测站点拼接时，需鉴于配准目标工具在配准功能下进行配准操作。

第二，配准工作完成后，需要去噪处理点云。采用三维扫描技术进行外业测量操作的开展，该仪器可以收集全部能够发射激光信号物体，其中包含建筑物立面以外树木、行人、车辆等，除了有利于数据分析量增加外，还会对提取建筑物立面与识别特征产生影响。

第三，完成点云数据分割后，需开展正摄投影。也就是选择建筑物立面相同点云数据中三个竖直特点定义投影面，并利用数字化正射影像特性之中的定向量检查投影面的竖直性。而后定义图像分辨大小、像素、投影点云区，在此过程当中，点云密度、分辨大小、图像像素之间的关系密切，说明建筑立面存在越多的点云数据，正射影像分辨率就会越高。另外，正射影像数字颜色定义需要将彩色代码、弧度级别、真彩色等性质为据，按照不同状况，简化影像的判读工作。

5 结束语

总之，立身于新型测量技术的运用，梳理三维激光扫描仪测量地面的操作原理。与某区域建筑物立面的测量工作结合在一起，采用三维激光扫描技术全天无休、准确性、高效性等技术特征，帮助相关人员完成建筑物立面的测量项目规划，并获得了理想的效果。对比传统建筑物的立面测量工作而言，选用测距仪及皮尺操作，现场操作需预先绘制草图，针对测量困难之处需选用目测方式，此种测量方法精度不高及作业流程复杂。本文对地面三维激光扫描仪进行传统操作方式的积极改善，在采集数据效果与成图精准度方面都实现了大幅度提升。