手持三维激光扫描仪在建筑物立面测量中的应用

刘丽娟

（江西省地质局地理信息工程大队，江西南昌 330001）

0 引言

建筑物立面数据的可视化对于建筑物的改造尤为重要。目前建筑物立面数据采集方式主要有2种：1）传统测量方式，如全站仪配合皮尺，该方法采集到的数据精度高，但是效率低下，人力成本较高；2）无人机倾斜摄影测量技术，但是小区内遮挡较为严重时会导致采集数据不完整，精度不高［1］。

三维激光扫描技术是近年来测绘行业中一种新型的数据采集技术，通过三维激光扫描技术可以短时间内快速获取大量的高精度三维点云数据。利用丰富的点云数据可以进行真实三维实景模型的构建，反映场景真实环境［2］。目前三维激光扫描技术已经在文物保护、古建筑测量、建筑设计、地形测量等测绘项目中有着广泛的应用。随着应用的逐渐广泛，将三维激光扫描仪应用到小区立面改造中的案例也越来越多。文献［3］提出了三维激光扫描仪在立面改造中的优势，文献［4］归纳总结了三维激光扫描仪进行建筑物立面测量的流程，通过实验验证了运用该技术进行立面测量的可行性。

以往建筑物立面三维激光扫描大都使用架站式三维激光扫描仪，虽然可以采集较高精度的点云数据，但缺点在于受到的限制条件较多，如需满足通视的条件，且换站的耗时较长。相比于架站激光扫描仪，手持激光扫描仪携带方便，扫描速度快，只需一名作业员就可完成场景点云数据采集。结合手持激光扫描仪的优势，本文使用ZEB-REVO RT 手持激光扫描仪进行建筑物点云数据采集，将其应用到宁波市老旧小区改造中，取得了不错的效果。

1 仪器介绍及工作原理

1.1 仪器介绍

本文中激光点云采集使用的是华测ZEBREVO RT 手持激光扫描仪，它提供了一种快速、简单获取被测物体三维点云数据的方法。用户在通过测区时便可实时获得点云数据，ZEB-REVO RT 手持三维激光扫描仪无需像传统扫描仪那样设置扫描参数，便可获得像使用传统扫描仪获得的数据一样精确的三维点云数据。ZEB-REVO RT 手持式激光扫描仪的仪器参数如表1 所示。

表1 仪器参数

1.2 工作原理

ZEB-REVO RT 手持三维激光扫描仪是一种移动式三维激光扫描系统，通过基于SLAM 算法，它可以大大提高空间三维数据采集效率。SLAM 技术也叫同步定位与建图技术，工作原理为扫描仪在移动过程中，通过自身携带的IMU、编码器传感器获取里程计信息，并对扫描仪的运动模型进行构建，计算得到扫描仪的初始位置估计值［5］。通过参数模型、扫描得到的激光数据信息修正扫描仪位姿，获取扫描仪精确的扫描轨迹。最后在扫描仪准确的位置信息的支持下，结合激光扫描数据对整个测区进行地图的构建。

1.3 技术优势

相比于传统激光扫描，手持激光扫描的优势还在［6-7］：

1）快速性。传统激光扫描需要架站、设置标靶等工作，手持激光扫描仪只要手拿激光扫描仪按照正常速度行走即可采集点云数据。为了控制漂移误差，一般将一站的采集时间控制在15 min 以内，可采集1 至1.5 km 轨迹两侧100 m 范围内所有地物的点云数据。

2）自主性。由于ZEB-REVO RT 不需GNSS 进行实时定位，故可在无信号覆盖，如室内环境、地下环境、偏远地区等进行点云数据采集。

3）全领域。ZEB-REVO RT 可通过搭载多平台进行多范围扫描，如搭载无人机进行全覆盖测量；连接吊装设备进行井下测量。

4）便携性。手持式激光扫描仪重量适中，大小合理，全套设备可集成在一个背包内，大大提高了传感器集成效率，只需一个作业人员就可进行数据采集。

2 技术路线

结合实际生产项目，本文完成了基于手持激光扫描仪的建筑物平立面测绘的整个工作流程，本文的技术路线如图1 所示。

图1 技术路线

2.1 测量线路规划

与架站激光扫描仪不同，手持激光扫描仪无需架设测站，只需根据测区环境设计采集路线即可。线路规划时，需考虑扫描仪本身的性能，保证规划的线路能够满足建筑物顶面在扫描仪的最大仰角与采集范围内。针对可能会被遮挡的区域同时要设计路线进行补测，同时保证扫描得到密度足够高的建筑物侧面点云数据。

为了尽可能控制采集点云的偏移误差，一条线路的采集时间不应超过15 min。为了能够将两条线路采集到的点云数据进行配准与融合，两条线路应有足够的重叠部分［8］。

2.2 数据采集

规划好采集线路，按照设计路线进行点云数据采集。数据采集时，只需将扫描仪置于地上，初始化完成以后即可进行点云数据采集。在数据采集过程中如遇到规划线路旁无法观测到的区域时，同样需要测量，并且在线路规划图上进行记录［9］。利用手持激光扫描仪进行点云数据采集如图2 所示。

图2 ZEB-REVO RT 手持三维激光扫描仪数据采集

2.3 内业数据处理

外业采集得到的数据格式为LAS，这是通用点云数据格式，它能够被Trimble Business Center 与Trimble RealWorks 等点云处理软件所识别。本文使用Trimble Business Center 软件对所有测站采集得到的点云数据进行处理，首先对各个测站的点云数据进行主体拼接［10］。一般情况下配准拼接后的点云残差与重叠度都没有达到精度要求，这时需手动将不同测站之间的同名点进一步配准拼接，直到达到精度要求为止。

拼接后的点云数据包含地面点云、建筑物点云、地物点云，涉及的范围较大，数据量也较大。在创建建筑物立面信息时，可以按照楼号进行建筑物点云区域创建，该区域点云只包含对应楼号的点云数据，从而可以针对性地对每栋楼进一步处理，使数据量更低、处理效率更高。将点云数据导入到建筑物信息提取软件中，即便是单独的建筑物点云，也需要较高的电脑配置。将建筑物点云主平面生成正射影像，相应的正射影像角点坐标也应生成。最后将生成后的正射影像导入建筑物信息提取操作软件中，以正射影像作为数据源进行建筑物信息提取，在满足要求的情况下可大大提高提取效率。

3 工程实例

根据旧小区改造规划与要求，宁波市某小区将进行旧小区建筑区改造，在建筑物立面加装隔热材料。该小区为老旧小区，楼栋数较多，楼间隔较短。且老旧小区楼层较低，植被密集，建筑物特征角点被遮挡情况较为严重。使用传统测量方式进行建筑物测量耗时耗力，大大增加外业工作量。为了在较短时间内高质量完成该任务，项目组使用ZEB-REVO RT 手持三维激光扫描仪采集小区建筑物数据。

该小区共有27 栋建筑，按照以往经验，如果使用全站仪需要一周左右时间；如果使用架站式激光扫描仪采集建筑物数据大概需要3 d 时间，需架站30 站左右。使用手持激光扫描仪只需要进行5 条路线的数据采集，每条路线数据采集耗时在15 min以内。加上不同测站之间数据采集前的初始化工作，最快半天完成小区内所有建筑数据的采集工作。

建筑物外业数据采集完成后，内业绘图前先将相应点云生成正射影像图，将正射影像图导入清华山维EPS 软件中进行绘图工作。为了对比本文使用方法与传统测量方法的精度，使用全站仪采集10 个建筑物特征点与本文方法采集同名特征点进行坐标对比，求得点位中误差，精度统计如表2 所示。

表2 误差精度统计单位：cm

同时选择10 栋建筑物边进行精度统计，统计结果如表3 所示。

表3 边长误差精度统计单位：cm

从表2 和表3 可以看出：建筑物点位误差都在2 cm 以内，边长误差都保持在2 cm，满足《城市测量规范》中对建筑物的精度要求。利用正射影像图绘制完成的小区建筑物立面图如图3 所示。

图3 建筑物立面图成果

4 结语

随着测绘技术手段的不断更新、发展，测绘行业正在面临转型发展。本文以实际项目为依托，立足测绘新技术、新仪器、新方法，详细介绍了手持三维激光扫描仪的技术优势与工作原理。通过手持激光扫描仪对宁波市某旧小区改造工程中建筑物数据进行采集，并且进行内业数据处理、立面图绘制与成果精度评定，证明了利用手持激光扫描仪可以高效率、全天候完成城市老旧房改造等工程，取得的效果较好。本文的方法与工程实践可为相关工程提供有益的参考价值。