三维激光扫描技术在建筑物立面测绘中的应用

张 迪

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

由于城市化和现代化的进程，许多旧城区面临着老化、退化和功能失调等问题，例如狭窄的街道、老旧的建筑物、交通拥堵等，需重新进行城市规划和布局。百城建设提质工程主要以推动城市发展，提升城市品质和居民生活水平，促进经济增长和社会进步为目的，实现可持续发展的目标，打造宜居、宜业、宜游的城市环境，使旧城区重新焕发活力，提高居民的生活品质，而街道立面改造作为其主要工作内容之一可以有效改善街道整体视觉效果，提升城市形象[1-3]。立面图测绘可为规划和设计提供准确的建筑信息和外观表达，如建筑物的形状、比例、空间关系等，帮助决策者和设计师更好地理解和评估旧城区的现状，为建筑设计、历史文化研究、市政规划等提供重要的依据和数据。然而，传统的立面测绘方法往往依赖于全站仪、经纬仪外业测量和测量员进行绘制，耗时耗力且容易出现误差。三维激光扫描技术能够快速、准确地获取建筑物表面的大量测量点，生成高密度的三维点云数据。通过对点云数据的处理和分析，可以实现建筑物立面的几何建模、形态分析和细节提取等操作，实现快速、高精度的测绘，大大提高了立面图测绘效率和精度。

1 相关技术理论

1.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是一种基于激光原理的测量方法，在建筑、工程、文物保护、制造业等领域被广泛应用。该技术通过激光器发射脉冲激光束照射到目标物体表面，通过测量激光的反射时间或相位差，计算出每个点的三维坐标信息。这些坐标可以表示为点云数据，通过数据处理和配准，可以生成具有几何形状的三维模型。三维激光扫描技术具有非接触、快速、精确的特点，能够在短时间内获取大量高质量的几何数据，为现实世界的物体和环境提供了高精度的数字表示，支持可视化、分析、设计等应用。通过三维激光扫描技术，可以实现对复杂物体的准确测量和建模，为相关行业提供了更高效、精确和可靠的解决方案[4-5]。

1.2 立面图测绘技术

立面图测绘技术是一种通过对建筑物立面进行测量和绘制，以获取建筑物外形、结构和细节信息的测绘方法，通过使用测绘仪器和软件，结合实地勘测和大数据处理技术，能够准确捕捉建筑物立面的形态、尺寸和比例关系，并反映建筑物的设计和构造，该技术在建筑设计、工程施工和城市规划等领域具有重要意义。

2 测区概况及点云数据处理

2.1 测区概况

此次实验对象为某偏僻破旧临街两层建筑，为改善当地居民生活条件，改变城市面貌，提升城市综合承载能力，应当地房管部门要求进行建筑物立面图测绘工作，为后期施工提供建设依据和方便工程造价核算。经皮尺粗测目标建筑东西长约17.5 m，南北宽约22.5 m，建筑物底部至最高处11 m，建筑物整体老旧，西面为沿街店铺，北面为巷道用于出入通行，建筑物周身广告牌、电线、遮雨棚等搭建严重，且北面为一栋老式住宅，相邻不足10 m，现场通视效果极差，给传统作业带来诸多不便，传统测量方式设站困难，因此，应用三维激光扫描仪采集外业点云数据。测区实景照片如图1所示。

图1 目标建筑实景照片

2.2 三维激光扫描仪精度评定分析

案例选用Trimble TX8三维扫描仪，扫描速度100万点/秒，大测程120 m或340 m，在120 m测程范围内，其测距精度达到2 mm，激光等级1类，扫描视场360°×317°。为确保扫描仪的精度，提供更可靠、准确的数据基础，提升数据处理和分析的可靠性和准确性，此次还对扫描仪进行精度评定，相关指标见表1[6-8]。

表1 三维激光扫描精度指标体系

对照基准选择的是Leica Axyz经纬仪测量系统，该系统是基于测角、量距的前方空间交会原理的精密测量原理，能够用两架以上的配套电子经纬仪直接得到量测点的三维坐标，而且相对定向能达到1″，绝对定向能达到3×10-3mm，精度极高，为三维激光扫描仪器的检测提供了较好的解决途径。

（1）绝对精度评定。三维激光扫描无法和全站仪一样直接测量获取扫描点坐标，本文在每个站点布设5个平面靶标，通过靶标中心拟合获得中心点坐标，并与电子经纬仪测量结果对比，扫描仪测站距离统一设定为100 m，每站中误差结果见表2。

表2 扫描点绝对位置精度统计表 单位：mm

根据表2精度统计结果可以看出，平面点位中误差和高程中误差一般在2 mm左右，空间点位中误差为2.8 mm，所有中误差均不超过3 mm，能够满足立面测量点位精度要求。

（2）相对精度评定。相对误差评定主要以6组5个靶标，且每组随机抽取3个靶标，拟合靶标中心坐标进行相互间相对位置、间距、高程差和间距，共进行了18组数据计算，见表3。

表3 扫描点相对位置误差 单位：mm

根据表3相对评定结果可以看出，检测点相对位置、间距、高程和空间间距中误差均在1.5～2 mm，精度较高。综合对Trimble－TX8三维激光扫描仪的绝对精度和相对精度评定结果可知，在100 m范围内，其测距精度在2 mm左右，能够满足一般立面图测绘应用要求。

2.3 外业数据采集及预处理

应用三维激光扫描技术实现建筑物立面图测绘的主要步骤包括准备工作、设备设置、扫描操作、数据处理、立面图生成和数据验证等操作和步骤。首先确定测量区域范围，将三维激光扫描仪安装在适当的位置并设置好相关参数，确保设备能够全面扫描建筑物的立面；然后将扫描得到的激光点云数据导入到点云处理软件中，进行数据预处理；再基于点云插件，建立建筑物三维模型，并将三维模型转换为二维立面图，包括墙面、窗户、门等细节，并标注尺寸和其他必要信息；最后对生成的立面图进行验证和校对，与实际建筑进行比对，确保测绘结果的准确性和一致性。

外业数据采集测站布设方案如图2所示，首先进行实地踏勘，明确扫描的范围和现场遮挡情况，同时收集附近可用的控制点和水准点等数据，若控制点数不足4个，则需根据CJJ/T 8—2011《城市测量规范》、GB 50026—2007《工程测量规范》、CH/Z 3017—2015《地面三维激光扫描作业技术规程》等规范要求布设平高控制点，由于本次实验对目标建筑绝对坐标要求不高，因此，应用GPS-RTK采集控制点坐标，方便后期进行坐标转换。由于本次只对建筑物西、南两个面进行改造，测区范围较小，因此计划布设3个测站，点云数据采集从建筑物西北角开始，逆时针进行点云数据采集。为保证后期不同测站点云数据拼接和坐标转换，还需要进行相邻测站靶标布设工作，靶球摆放要均匀布置，且避免在同一高度或同一平面内的情况出现，防止坐标转换出现较大偏差[9]。

图2 外业数据采集测站布设方案

外业建筑物点云数据获取完成后，要想提取出有用的点云信息并准备好数据以供后续分析和应用，需进行点云数据预处理。首先进行点云配准，将不同扫描位置的点云数据对齐到一个全局坐标系中，本项目主要应用靶球特征匹配进行点云配准；然后进行点云去噪处理，将因系统误差、环境干扰或扫描设备噪声引起的离群点或噪声进行滤波处理；再进行点云数据转换，将相对坐标点云数据转换到当地城市坐标系下，方便统一规划管理；最后进行点云分割，目标物体或区域可能需要进行分割和提取。预处理后的点云数据如图3所示。

图3 预处理后的目标建筑物点云数据

3 三维模型重建及精度分析

3.1 三维模型重建

三维模型重建借助的是Undet插件，主要可对点云数据进行清理、分割、分类、拟合等操作，并能基于点云生成三维模型。首先在SketchUp软件中安装并启动Undet插件，并点击Undet插件的工具栏中的“点云转换”功能，本文导入原始点云数据格式为.las，经格式转换后为.ipcp格式；再基于插件将.ipcp格式点云数据导入到SketchUp软件，再根据点云数据的特征，对目标建筑进行分解，并使用SketchUp软件的基本建模工具（如线段、面、三维形状等）创建目标形状。为保证模型精度，在建模过程中需利用Undet插件的点云对齐工具，将点云数据与创建的基础形状进行对齐，确保模型与点云数据吻合。最后根据需要，使用SketchUp软件的相关工具添加细节，如空调外机、窗户、卷帘门、台阶等，以提升和完善三维模型效果。本文建立的目标建筑三维模型效果如图4所示[10-14]：

图4 基于点云和建模软件建立的三维模型

3.2 立面图绘制

文章立面图绘制是基于建立的三维模型基础上，首先在SketchUp软件中可以通过旋转、缩放和平移视图等操作，使模型在画面中展示出最佳的角度和比例；然后点击菜单栏中的“文件”，选择一个适合的导出文件格式，由于需要将自动生成的线画图导入到CAD软件进行润色，因此选择导出格式选择为.dwg格式，并设置导出的线条粗细、线型、颜色以及背景色等属性，指定导出路径和文件名导出线画图。最后再使用CAD软件对二维线画图进行调整图层、设置线型、添加标注和尺寸、进行图形修饰、添加文字和注释等处理，以使线画图更清晰、准确和美观，达到预期效果。本文绘制好的建筑物立面效果如图5所示[15]。

图5 建筑物立面效果图

3.3 成果精度分析

为验证文章提出方法立面成果的精度，使用全站仪对实际建筑进行了测量，并选择窗户、门、墙面、广告牌和楼梯等特征物作为参照物，最后将测量数据与全站仪测量数据进行对比，结果见表4。

表4 三维模型外立面数据检核表 单位：cm

每个特征区域选择五组特征点距进行偏差计算，中误差计算公式如式（1）所示[16-18]：

式中：L为实测长度，σl为检查点单位权重误差，n为检测次数。

通过计算得出，除了墙面目标4外，模型立面数据与实测值的差值均不超过5 cm，且计算出中误差为2.84 cm，不超过3 cm，精度较高，研究结果表明利用三维激光扫描技术进行建筑物立面测绘能够达到设计部门的精度要求。

4 结语

城市数字化建设飞速发展，临街老旧建筑立面测绘作为建筑物改建、扩建工程设计和施工的依据，其相关工作尤为重要。文章针对三维激光扫描技术在立面图测绘中应用展开了研究，对点云数据的采集、点云预处理、立面图的制作以及整体解决方案等都进行了论述。研究结果表明该方法具有很强的适用性，有效避免传统立面测量效率低、数据准确性难以保证、人力物力投入大等痛点问题，从而为老旧街区保护和更新改造提供新思路，具有较好的借鉴和推广价值。