三维激光技术在建筑物外立面测量中的应用

彭劲松，叶 波，李 娟，周光明

(1. 湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005； 2. 武汉海达数云技术有限公司，湖北 武汉 430023)

建筑物立面测量是老房改造工程中的重要工作，也是打造城市名片、亮化街区工作的难点。传统的建筑物立面测量利用免棱镜全站仪获取建筑物关键位置三维点坐标，结合卷尺及测距仪量取细部尺寸，人工绘制草图，并使用高清相机拍摄建筑物外立面纹理照片。三维激光扫描测量技术的出现和发展，克服了传统建筑立面测量的局限性，它不再是利用皮尺、测距仪等简单工具进行建筑物长宽高的测量模式，而是能对建筑物进行无接触、快速、高精度扫描，同时将获得的点云信息快速转换成计算机可以处理的数据的高效测量方式，解决了建筑物立面数据人工采集时所带来的精度损失、效率损失等问题，尤其是解决了高层建筑物立面元素无法量测的问题。

1 基于三维激光技术的立面测量方案

1.1 技术路线

建筑物外立面测量的主要工作包括：对测区范围内房屋的平面位置定位，窗台、基础标高、屋顶高度等要素进行测量，并绘制立面图。借助三维激光扫描仪进行外立面测量的工艺流程主要包括内业和外业两部分，具体工作步骤如图1所示。

图1 基于三维激光技术的立面测量的技术路线

1.2 硬件设备

HS系列高精度三维激光扫描仪是海达数云完全自主研发的脉冲式、全波形、高精度、高频率三维激光扫描仪，配套中海达自主研发的全业务流程三维激光点云处理系列软件，具备测量精度高、点云处理效率高、成果应用多样化等特点，参数为：①激光等级： 1级；②最远扫描距离：1200 m；③数据获取速度：50万点/s；④测距误差：5 mm；⑤双轴补偿器：补偿范围5°，分辨率0.001°；⑥防护等级：IP64；⑦数据存储：内置固态硬盘存储器容量240 GB；⑧提供高清单反相机连接口，集成高清单反相机。

1.3 配套软件

HDScene是为地面站三维激光扫描仪专门设计的配套数据处理软件。软件处理硬件采集所输出的数据，主要功能包括数据导入导出、视图显示(三维、平面、快速、草图、拼接视图)、点云拼接(草图拼接、特征点面拼接、自动面拼接及优化拼接)、点云处理与分析、点云影像配准与着色等。

2 立面测量项目案例

2.1 项目概况

为满足相关勘测院工作需求，积极响应拓展相关领域内的新兴业务，海达数云基于地面激光扫描技术承接了一系列建筑立面测量项目。在厦门市某小区外立面改造测量项目中，海达数云利用激光扫描仪进行建筑物立面测制，快速、准确地为相关设计单位提供了基础立面图，如图2所示。

图2

2.2 项目要求

采用三维激光扫描仪对小区立面整治项目范围内的建筑外立面进行三维数字化测量，获得项目范围内的点云模型及彩色数字正射影像图。技术服务方式为现场点云数据采集和后期测绘图纸绘制。提供的数据成果为点云数据、DWG格式文件、立面测绘图电子文件及纸质文件，并满足图片清晰、数据详明的要求。所提供的点云整体拼接精度小于1 cm，满足立面整治施工图绘制和工程量计算的要求。

2.3 数据采集

(1) 利用地面三维激光扫描仪实施扫描时，主要采用两种方法：①采用电脑控制激光扫描仪进行扫描，该方法可根据测量范围设定单站扫描起止角度(扫描之前应了解仪器零角度方向)，扫描完后可以在电脑中直接观察扫描数据质量。②采用仪器直接采集，扫描时务必注意测站顺序。该模式对数据质量无法在现场监视，但是作业效率高。如图3所示。

图3 外业数据采集

(2) 数据处理及配准采用HD Scene软件，可采用两种方法：①选择同名特征点的方法进行配准，至少要选择4个同名点；②人工交互式移动测站粗配，再采用ICP算法自动精配，提高配准精度。

(3) 由于测区树木较多，需分多站扫描，设站时应满足以下要求：①以尽量少的测站覆盖整个测区，选取400 m以上测距，同时使用较大的角分辨率减少数据量；②将测站设在较高位置正对楼房扫描，以获取较多目标点，同时避免产生盲区，使用RTK 或全站仪准确采集测站的外部坐标,用于后续配准拼接、坐标转换。如图4所示。

图4 单站点云数据

2.4 内业成果

利用处理后的点云数据绘制立面图，可采用两种方法:立体模式特征点提取(三维量测)、平面投影描图模式。如图5、图6所示。

图5 依据点云绘制轮廓线初步正面成果

外业的查漏补缺采用钢卷尺、测距仪、全站仪，对于大面积缺漏的，采用激光扫描仪补测。根据照片外业调绘、外业补测数据在HdPtVector中进行制图。如图7所示。

图6 初步侧面成果

图7 绘制立面图

3 作业模式对比与优势分析

3.1 作业模式对比

在建筑物立面测量作业中，三维激光扫描仪与全站仪等单点采集三维数据的方法相比，有以下不同：

(1) 被测目标不同。传统方式只能测量反射棱镜所在位置的点位坐标，被测物体必须是棱镜能够到达的地方，难以对危险区域或测量人员难以到达的区域进行测量；而三维激光扫描不需要接触被测物体就可以工作。

(2) 观测环境不同。传统方式因为需要瞄准棱镜，必须在白天或较明亮的地方进行测量；而三维激光扫描测量可以全天候进行测量。

(3) 测量精度不同。单点定位精度都是毫米级，三维激光描仪的定位精度比全站仪略低，但是目前部分全站式三维激光扫描仪已经可以达到全站仪的精度，满足立面测量的精度。

(4) 获取数据的量不同。传统方式只能够有限度地获取目标的特征点；而三维激光扫描仪可以获取高密度的观测目标的海量数据，采样速率高，对物体的细部描述细致。

(5) 作业效率提高。通过实践证明，三维激光扫描仪作业效率相较传统全站仪方式，效率提升了5倍以上，见表1。

表1 效率对比

注：楼房密集处，扫描仪是360°扫描效率更高。

3.2 优势分析

(1) 无需瞄准：地面激光扫描仪脱离了全站仪、经纬仪等仪器所必备的瞄准器、物镜和目镜，自动化测量提高了外业作业效率。

(2) 无需草图连线：外业数据较全，无需绘制草图，在内业进行综合取舍，完成制图任务，不必再去现场。

(3) 无透视投影变形：摄影测量技术中相片的拍摄是透视投影，产生了较为明显的变形，而激光扫描仪类似全站仪直接获取距离和角度，因此其点位无投影变形。

(4) 联合CAD测图：可直接依据点云绘制点、线发送至CAD工具栏，其中包括绘制2D和3D点、线到CAD，设置发送坐标等。该工具能够将采集的二维多段线对象传送到AutoCAD软件中，方便测图人员快速采集二维的线状要素。

4 结 语

本文立足测绘新技术的应用，结合厦门市立面改造项目，利用地面三维激光扫描技术的全天候、高效、准确等技术优势，辅助规划设计工作者完成了一系列建筑立面测量项目，并取得了较好的成效。

传统立面测绘方式(如采用皮尺、测距仪等)进行测量时，现场作业时必须绘制草图，对于无法测量的地方采用目测。基于地面三维激光扫描仪提出的作业方法改变了传统作业模式，在数据采集效率和成图精度上均有较大提高，尤其是减小了异形建筑立面测量的内外业工作量。