基于地面LiDAR点云数据的建筑物立面测绘方法研究

曹海春 张 娟

（1.山西工程职业学院，山西 太原 030031；2.山西亚太数字遥感新技术有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

随着城市数字化、信息化建设的飞速发展，临街老旧建筑立面测绘工程已成为数字城市规划的重要组成部分。由于这类建筑年代久远，其设计资料缺失、不完整较多，所以立面测绘也是建筑物改建、扩建工程设计和施工的依据。传统的建筑物立面测绘一般是人工测量方式、全站仪测量方式或近景摄影测量方式等，这些数据采集方法的优点是对作业员综合素质要求相对比较简单，缺点是采集的数据信息少，工作量大，耗费大量的人力物力。

近年来，激光扫描技术迅速发展并日渐成熟，其空间搭载方式也更加多样化，有机载型、地面型、便携型等，可以综合考虑项目需求选择更合适的解决方案。激光扫描技术是测绘领域的一次技术革命，由于其具有自动化程度高、数据生产周期短、数字产品精度高等特点，因此逐渐成为测绘领域研究的热点，其应用领域也不断拓展，为空间信息获取提供了更加科学有效的技术手段。

本文介绍了地面固定型激光扫描系统的工作原理，阐述了建筑物立面测绘的技术流程，简单介绍了地面LiDAR点云数据处理过程，重点对立面图绘制方法进行了说明，最后进行了精度验证。将该技术应用到实际生产项目中，可以为用户提供真实可靠的数据，具有一定的参考价值。

1.工作原理

1.1 地面固定型激光扫描系统工作原理

该系统由地面三维激光扫描仪、控制系统、数码相机、后期处理软件、电源以及附属设备构成，采用非接触式高速激光测量方式，利用激光脉冲对被测物体进行扫描，可以大面积、快速度、高精度、高密度的取得地物的三维形态和影像数据。与全站仪不同之处在于，地面固定式激光扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是一系列的离散海量点云数据，且点云数据中每个点的三维坐标都是通过扫描仪直接获取的，数据更加可靠，精度更高。

1.2 建筑立面图原理

建筑立面图是在与房屋立面相平行的投影面上的正投影图。其中，反映主要出入口或比较显著地反映出房屋外貌特征的立面图，称为正立面图。其余的立面图相应称为后立面图、左/右立面图、侧立面图。立面图是城市规划，环境亮化改造和建筑物改建、扩建工程等外部装修设计和施工的依据。

2.技术路线及作业流程

2.1 技术路线

在立面测绘项目中，采用地面三维激光扫描仪获取的LiDAR点云数据能够精准反映建筑物层次结构及细节特征，精确获取窗户、门/孔洞、阳台、房檐、柱、墙面分格线及其他建筑附属物的空间信息。

通常情况下，一个完整的建筑物需要从不同的位置、不同的角度进行多次扫描才能获得完整的建筑外立面信息，包括点云和影像数据。为了得到完整可靠的数据，不同位置获取的点云需要有一定的重叠区，以便进行点云精准拼接。数码相机获取的影像数据主要为点云提供彩色纹理信息。

对采集的点云数据和影像数据使用数据后处理软件进行处理，数据融合后生成具有彩色信息的空间海量点云数据，从而进行建筑立面图绘制，再以多种不同的格式输出，能够满足各种空间信息数据库的数据源，实现不同工程项目的需要，有着广泛的应用前景。

2.2 作业流程

建筑物立面测绘主要包括资料收集、现场踏勘、技术设计、数据采集、数据处理、立面图绘制以及质量检查等步骤，具体作业流程（如图1所示）；

图1 建筑物立面测绘作业流程图

3.试验区立面测图实施方案

3.1 试验区概况

本文采用的数据为某城镇局部地面LiDAR点云，作业区内建筑高度基本不大于20m，大部分为2-5层混凝土结构，沿街部分底层为商铺，上层为民用建筑。地形平坦，交通方便，便于外业数据采集。主要不利因素是沿街行树比较茂密，对建筑物扫描遮挡较多，加大了数据采集难度，同时后期数据处理去噪也增大了工作量。

3.2 准备工作

3.2.1 资料收集

试验区主要资料包括范围矢量图，用于确认数据采集区域；卫星影像图，作为基础资料，用于对建筑进行编号、路线设计等。

3.2.2 现场踏勘

进行作业前，首先对试验区进行现场踏勘，了解试验区作业条件、交通、医疗等情况，了解气候变化规律及可能发生的自然灾害，随时掌握气象信息，做好人员及设备防护工作。

了解试验区建筑物整体情况，分析建筑结构、初步规划采集区域、采集线路及测站布设。并与相关设计单位或施工单位人员沟通工序对接点，确保衔接畅通，保证数据完整性及可用性。

同时，根据项目需求，参考现场踏勘情况，对参与外业数据采集的人员进行培训，重点关注设备使用、数据采集、安全作业等相关内容。作业过程中，及时识别工作中存在的隐患，并随时进行控制、整改等。

3.3 技术设计

3.3.1 路线设计

结合试验区地形、地貌及用户需求，确定数据采集路线。一般情况下，沿街道两侧按道路前进方向依次进行采集。

3.3.2 站点布设

根据每幢建筑的实际情况、仪器的测程、数据采集模式以及数据采集密度，确定仪器架设位置。通常，需要围绕建筑最少布设四个站点进行扫描，并保证各站点采集的数据有足够的重叠度，满足数据拼接需要。对于特殊建筑，还需要增加扫描站点，以确保采集到每幢建筑完整的扫描数据，便于后期数据处理。

3.4 数据采集

本次试验选取FA RO三维激光扫描仪，该仪器内置高分辨率相机，同一站点分步扫拍，获取360°扫描点云和彩色全景影像，并使影像与点云进行自动匹配。该仪器自动化程度较高，人工干预少，试验区对建筑点密度要求较高，因此扫描速度比较慢。

路线和点位设计完成后，进入实施阶段。外业作业员现场对建筑物进行扫描，获取彩色点云数据，并保证数据完全覆盖被测建筑物。必要时，还需拍摄作业实况，记录作业过程，用于内业数据处理时作为参考，对建筑周围环境及立面特征进行准确判读。

3.5 内业数据处理

外业采集到的数据经过下载，对原始数据进行解码及格式转换，再进行同名点识别配准及数据去噪处理，就得到一幢建筑物完整的彩色点云数据。

内业点云数据处理主要使用仪器配套的FARO SCENE软件进行，使用该软件能够实现点云数据优化，包括以下内容：

（1）点云的自动拼接。将一幢建筑物的多站数据拼接成一个整体；

（2）冗余点云过滤。将建筑物外的移动点云、错误点云、多余点云等进行删除。

再加上少量的人工干预，最后对数据进行检查整理，就能够输出通用las格式的完整建筑物点云数据。某建筑彩色点云示意图（如图2所示），其中窗户玻璃部分，由于玻璃材质反射率低，接收到的点云较为稀少，存在点云空洞，这种情况一般不影响后期制图，因此忽略。如果由于数据缺少，导致建筑不完整，就需要采取重新扫描或补测的措施，确保数据完整。

图2 建筑彩色点云示意图

3.6 立面图绘制

建筑物立面图的绘制，主要包括以下步骤：

（1）格式转换。使用Autodesk ReCap软件对点云进行格式转换，将点云数据从las格式转换为rcp格式；

（2）数据导入。打开AutoCAD软件，设置为三维建模模式，附着rcp格式点云；

（3）定义坐标系。通常情况下，点云附着完成后，在软件中显示的是俯视图，而立面图绘制需要在与房屋立面相平行的平面上进行，因此需要重新定义坐标系；

具体处理方法如下：

定义坐标轴：使用三点定义新的俯视图坐标系，这三点一般为原点、正x轴上的点和正xy平面上的点。

对于规则建筑，一般选择最明显的、稳定的建筑墙体长边作为x轴线，并将坐标轴平移到墙体前方，使得在新的俯视图坐标系中x轴平行于墙体。对于不规则建筑，根据项目需求，可以适当综合或取舍。

切换视图：坐标轴定义后仍然为俯视坐标系，要进行立面绘制，就需要将视图切换为前视图，使得建筑物立面与电脑屏幕平行。

定义用户坐标系：切换前视图后，建筑物立面投影于xz平面内，而后期绘图需要在xy平面进行。因此，需要使用软件功能，将xz平面转换为xy平面，这时用户坐标系的xy平面与屏幕对齐。

（4）建立图层。根据成果需求，设置相对应的图层。本试验区项目图层设置（如图3所示）:

图3 图层属性示意图

（5）立面图绘制。使用AutoCAD软件提供的绘图工具进行立面图绘制。主要包括以下步骤：

图面绘制：选择要进行绘制的某一立面，对于一幢建筑的其他面可以暂时选择隐藏点云，避免由于透视造成判断错误。需要时，可以参考现场实况图或视频，准确判定建筑物各部位属性。

填充渲染：矢量线绘制完成后，进行图案填充。主要填充阳台、窗户及台阶等，对墙体材质进行文字说明。点云和立面图绘制对应（如图4所示）:

图4 立面图绘制示意图

（6）整理输出。一幢建筑的各个立面绘制完成后，分别命名为正、后、左、右及侧立面，按建筑编号进行整理输出。

3.7 精度检查

用全站仪实地测量对应建筑物各部位的长度数据，作为真实值，检查基于地面LiDAR数据所测立面图的精度。精度对照表（如表1所示）:

表1 精度对照表 单位：m

从表1中数据差值分析，最大差值为-0.06m，最小为0.018m，建筑物各部位相对整体精度满足项目要求（0.1m）。

3.8 技术细节说明

3.8.1 建立样板文件

图层样板：每幢建筑进行单独绘制立面图时，可以建立图层样板文件，设置项目要求的图层及相应的图层特性，比如层名、层码、颜色及线型等。

数据提交样板：每幢建筑按建筑命名进行数据提交时，也可以建立数据提交样板文件，类似于图层样板，根据提交要求进行设置。

样板文件统一标准，能够提高作业效率，立面图绘制也更加便捷。

3.8.2 数据采集

外业数据采集过程中，由于部分街道狭窄，常规的布站方法难以满足要求，所以采取增设站点来保证整幢建筑数据采集完整，必要时在楼顶进行数据采集，保证阁楼数据完整。

对于植被遮挡严重的建筑，进行多方位加密采集，保证不出现点云漏洞，后期数据处理时再进行重点去噪，以满足后期立面图绘制。

3.8.3 立面图绘制细节

实际立面图绘制过程中，建筑物结构复杂多样，立面有时并不是一个简单的竖直面，有弧形，转折形或者其他异形结构。对于常规立面，采用直接投影方法进行。针对特殊的建筑，根据项目需求，采取综合或者细化的处理方式，先进行分割区分，再进行各面分别投影，最后进行绘制，化繁为简，做到不错不漏。绘制中主要注意以下细节：

(1)坐标系定义准确，否则会导致偏差，影响成果精度；

(2)墙体绘制采用粗实线，与其他层进行区分；

(3)同一投影面，不同材质间需要画分割线进行区分；

(4)对于设计整齐统一的建筑部位，可以复制相关元素。

4.结束语

随着技术的发展和进步，地面三维激光扫描技术的应用越来越广泛。通过试验区数据分析，证明利用该技术进行建筑立面图绘制，能够满足工程应用的精度要求。在实际生产项目中，立面测图时还需要对各个环节进行质量控制，数据采集时注意站点架设位置，避免外界因素干扰；数据处理时减少拼接去噪误差，提高点云质量；立面图绘制中精细化各个立面。地面三维激光扫描技术在很大程度上可以缩短工期，提高生产效率，节约成本，为工程施工、设计等提供基础数据。

课题项目：

本论文是作者基于山西省教育科学规划课题《高职教育企业引领、课赛证融通教学模式研究》与山西亚太数字遥感新技术有限公司人员合作完成的阶段性研究成果，课题号GH-19275，课题单位：山西工程职业学院。