三维激光扫描仪在建筑物立面绘制中的应用研究

2019-01-23

福建质量管理 2018年23期

(江西理工大学，建筑与测绘工程学院江西赣州 341000)

前言

近年来，随着现代社会经济的发展，对外城市形象的展示以及城市公共环境品质的提高逐渐被人们所重视。建筑立面是指建筑和建筑的外部空间直接接触的界面，以及其展现出来的形象和构成的方式，或称建筑内外空间界面处的构件及其组合方式的统称。建筑物立面包含丰富直观的细节信息，是建筑物三维建模中不可或缺的组成部分。

建筑物的立面特征主要包括建筑物的轮廓特征、点特征。建筑物的轮廓特征主要有门窗、空调等。在图像信息中，根据点可以构成线和面，点特征是否定位准确，决定了是否可以有效的将建筑物立面信息正确的映射到最终的效果图上，实现可视化显示。本文探讨一种利用地面三维激光扫描仪获取建筑物立面点云，然后将其二维平面化，利用CAD绘制建筑物立面特征线，将其可视化。

一、三维激光扫描仪工作原理及技术优势

(一)工作原理。三维激光扫描仪是一个内含扫描棱镜的快速激光测距仪，不需要反射棱镜即可精确测得扫描点的三维位置，而且扫描速度可达数万点每秒。

通过仪器的激光反射器发射激光束到旋转式镜头的中心，并被旋转式镜头反射，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪，通过激光的位移数据被测量，从而反映出激光与物体之间的距离。最后用编码器来测量镜头旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度，以获得每一个点的x、y、z值。利用三维激光扫描系统能够在几分钟内获取详尽、高精度的三维立体影像数据建筑物立面可视化绘制。

(二)技术优势。1.地面三维激光扫描仪摆脱了传统测量手段全站仪、水准仪等仪器所必备的棱镜、标尺等辅助设备，其无需接触目标区域，就可以进行全方位测量，提高了外业工作效率。2.地面三维激光扫描仪无需绘制草图，只需进行外业扫描工作，在内业进行对目标区域的取舍，然后完成绘制任务。3.利用激光进行扫描工作，因此可以进行全天候的工作任务，无论在雨天还是夜晚都可以进行作业。

二、建筑物立面的可视化

本文方法流程如图1所示。其中建筑物立面点云平面化是关键，其精度关系后续建筑物立面特征线的绘制精度。

图1 技术流程

(一)数据获取和配准。在利用地面三维激光扫描仪获取目标建筑物的立面信息，应根据所选择的仪器本身的性能，确保所选择的的测站能完全覆盖测区范围，尤其是高层建筑物的顶层；确保站站之间有一定的重叠度，以保障站与站之间的点云密度，方便内业处理时的配准工作。

(二)数据处理。在数据采集完成后，首先对数据进行去燥工作，去除不需要的点云数据(删除如行人、植被等数据)。接着需要将站与站之间的数据进行配准，先选择同名特征点的配准方法进行粗配准，再采用ICP自动精配，提高配准精度。

(三)建筑物立面绘制。将配准以后的点云数据，进行平面投影，锁定建筑物的一个平面进行绘制立面图，旨在排除目标区域上其他点云的干扰。将投影后的目标区域点云直接导入AutoCAD中，对目标区域上的特征轮廓进行绘制。

三、实验与分析

(一)项目概况。扫描区域是一栋高层住宅性建筑物，主要目的是对该建筑进行快速的侧脸，从而快速得到该建筑物的立面图，从而对比设计之初与建成之后的相比偏差，为后期修缮提供数据参照。

扫描区域基本情况有：①建筑物立面信息较多，且部分区域建筑被植被遮蔽；②扫描区域位于马路边，行人、车辆较多。

(二)立面图绘制。利用本文的建筑物立面图绘制方法，将获取目标建筑物的点云数据如图2(a)所示，导入到AutoCAD中进行绘制。由于在三维观测模式下，点云数据量过大，进行立面图绘制的时候，很难切准特征点、线，且绘制效率较低。因此将其导入到AutoCAD，然后锁定平面进行绘制如图2(b)所示，排除立体点云数据中非当前目标面上的点云数据的干扰，明显提高了立面图的绘制效率。图3所示为该建筑物房屋正面立面图。