激光扫描技术在建筑物立面测绘中的应用研究

吴亚稀

（余姚市正衡测绘有限公司，浙江宁波 315400）

0 引言

部分工程单位在采集建筑立面测绘数据工作中，通常选择应用相机、皮尺、测距仪、全站仪等设备进行人工测绘，不仅需要耗费大量时间进行现场测量，还需要进行复杂的后期计算，存在效率、误差方面的不足。为提升测绘效率，部分单位选择应用无人机航测技术，但会面临数据采集精度方面的难题。本文针对建筑立面测绘数据采集工作中存在的难题，提出应用三维激光扫描技术的测绘方法。

1 三维激光扫描技术概述

在建筑工程、变形监测等领域中，三维激光扫描技术应用广泛，该技术为高清晰度测量技术，能够借助激光实现对大量点云数据的快速采集。在实际应用过程中，仪器能够发射具有大量点云的激光脉冲，点云附带有反射率信息、高密度等，能够实现目标单位的无接触信息采集，并可通过提取点云数据中的目标结构信息还原目标三维模型。相对传统建筑立面测绘方法，该技术的效率更高，可以对任意规则结构的建筑进行快速测绘，同时能够保证测绘精度[1]。

2 三维激光扫描技术原理分析

三维激光扫描技术的关键硬件设备为三维激光扫描仪，该仪器的采集速率、精度等功能特性如表1 所示。

表1 三维激光扫描仪功能特性

三维激光扫描技术原理如图1 所示，通过对建筑立面进行竖直与水平方向的扫描实现空间结构信息的采集。图1 中，α、β为激光中心O 与扫描位置A之间的水平与竖直方向夹角，X、Y、Z 为坐标轴。

图1 三维激光扫描技术原理

扫描位置A 的坐标为（X，Y，Z），可以利用三维扫描仪的测距功能确定A 点与O 点之间的距离η 和角度，根据距离η 和夹角α、β 计算A 点坐标，公式如下：

在三维激光扫描技术应用前，工作人员需要严格按照野外测绘要求对目标区域整体情况进行全面勘察，根据勘察结果绘制野外草图，借助草图对建筑立面测绘期间面临的障碍物情况以及测绘尺寸进行评估，从而确定现场测定布设需求。为满足工程测绘需求，工作人员需要观测建筑地表、空间现场情况，借助摄像机采集图像数据，结合数据和现场情况制定测绘方案，严格控制测站数量以及建筑与测站的间距，确保数据精度等符合测绘需求[2]。

3 建筑立面测绘数据采集和预处理工作要点

3.1 点云数据采集

测绘前，工作人员需要根据测绘方案做好三维激光扫描仪模式、分辨率、精度等参数的设置，由于单个位置扫描获取的建筑结构信息特征有限，工作人员需要重复按操作流程进行多个位置的扫描，从而确保采集数据覆盖整个建筑立面。针对采集的节点数据，工作人员需要基于最小二乘法进行线性拟合：

其中，i、j 为x、y 拟合直线的斜率，k 为截距。

式（4）可转化为矩阵形式：

针对上述矩阵，引入拟合向量ω，求得基于信息节点的线性拟合公式如下：

式（6）计算结果最小值即为拟合误差最小法向量，由此可以确定建筑初始扫描位置，为后续的点云数据采集、预处理提供依据[3]。

3.2 点云数据预处理

为避免因异常、错误数据点影响建筑立面测绘数据精度，工作人员需要对点云数据进行预处理，预处理需要应用点云数据配准算法，实现对异常数据信息的清理。数据处理时可以采用均值滤波方法，公式如下：

其中，ε 代表均值滤波处理；e（x，y）为均值滤波处理结果；p（x，y）为滤波窗口（中心为数据节点）坐标点；q（x，y）坐标灰度值。数据处理期间，首先基于坐标灰度值对测绘的建筑立面数据节点进行降序排列，并在此基础上输出均值处理结果，将相应的灰度值匹配给处理结果对应中心的像素。均值滤波算法能够将点云数据中存在的噪声点消除，同时实现对数据密度的分散处理，通过对建筑立面测绘数据结果压缩、精简的方式实现对后续测绘数据处理效率与精度的提升[4]。

部分区域存在遮挡物或目标区域尺寸较大等都可能导致扫描结果无法满足使用需求，针对这一情况，工作人员需要将中心点定为测绘目标建筑物，在扫描期间设置多个扫描点位。针对不同点位扫描数据存在的不同维度问题，工作人员需要借助拼接技术实现对数据空间坐标的转换处理：

其中，mr与nr即为待拼接的不同维度数据点，B 为平行位移转换矩阵，D 为旋转矩阵。

为实现不同坐标系点云数据的统一，本文选择应用极坐标轴转换法：

其中，τ 为待处理点云数据坐标与极点的间距；φ 为待处理点云数据所在坐标系与极轴的逆时针角度差。经过点云数据的均值滤波降噪处理和拼接转换处理，原本不同维度的测绘数据最终被整合为一体。

4 三维激光扫描技术测绘数据采集精度实验分析

为研究三维激光扫描技术在建筑立面测绘方面的精度，本文选择某城区改造项目进行实证对比分析。该项目为针对老旧城区的改造工作，为确保项目顺利开展，需要对建筑立面进行测绘。现场勘测数据结果表明，老城区改造目标建筑主要为多层建筑，所在区域存在约4.75 m 宽的道路，建筑分布与道路两侧，道路相对窄小，建筑周边存在较多高大树木，形成严重遮挡问题，人工测绘期间需要面临车辆及居民大量通行的问题，因此有必要借助三维扫描测绘技术进行高效测绘。

4.1 工作流程

为确保该项目建筑立面测绘工作顺利开展，工程单位组织人员进编制了测绘工作方案，主要包括测绘准备、数据采集、数据处理、数据汇总等多个阶段。测绘准备工作的重点在于结合工程项目要求对现场建筑分布、环境影响等进行勘察，明确工作路线及人员组织等相关内容。数据采集阶段，工作人员需要对扫描站点进行合理布设，并做好三维激光扫描仪参数配置工作，确保测角、测距精度等符合测绘要求，最终获取相应的影像数据信息。数据处理阶段，工作人员需要借助算法、软件进行数据均值降噪、拼接转换处理，并构建所需的三维模型。

4.2 对比实验

为验证三维激光扫描技术在实际测绘中的精度，针对建筑立面拐角位置、特征位置多个点位分别利用全站仪和三维激光扫描方法进行测量（表2）。

表2 全站仪量测数据与三维激光扫描测绘技术偏差对比 m

数据结果表明，三维激光扫描测绘结果与全站仪误差最大为0.008 2 m，误差在±10 mm 范围内，测绘精度能够满足需求。为进一步验证三维激光扫描测绘技术的精度，本文针对相同特征性的多个测绘点，利用钢尺、三维激光扫描技术分别测量。测量结果表明，两种测量方式之间的偏差最高仅为7 mm，能够满足测绘精度需求。

5 结束语

综上所述，三维激光扫描技术对于解决传统人工测绘建筑立面过程中面临的测绘难度大、效率低、精度差等问题具有积极意义。三维激光扫描技术借助激光脉冲实现对大量点云数据的快速扫描，通过点云数据均值降噪、多站点测绘数据拼接转换处理等方式，能够获取精准的测量数据。结果表明三维激光扫描技术在特征、拐角等点位的测距精度满足需求，具有推广应用价值。