基于三维激光扫描技术的建筑物立面测量

倪佳琦

(浙江省测绘科学技术研究院 浙江杭州 310030)

建筑物立面数据的可视化在建筑物改造中具有重要作用。目前，建筑物立面数据的采集方式主要有两种：一种是传统测量方式，如全站仪配合皮尺，这种方式采集的数据精度高，但是效率低下，人力成本较高；另一种是无人机倾斜摄影测量技术，虽然采集数据效率高，但是对于小区改造项目，当小区内遮挡较为严重时会导致其数据采集不完整，精度不高[1]。

三维激光扫描技术是一种新型的数据采集技术，可以在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构建真实三维实景模型，可以真实地反映场景环境。目前，三维激光扫描技术已经在文物保护、古建筑测量、建筑设计和地形测量等测绘项目中有着广泛的应用。随着三维激光扫描技术应用的推广，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。李婉[2]总结了三维激光扫描仪在立面改造中的优势和工作流程，并通过实例验证了利用该技术进行立面测量的可行性；桂仁等[3]针对传统立面测量手段存在的作业效率低、复杂建筑物细部轮廓绘制难度大等问题,引入非接触式三维激光扫描仪,研究了基于定向法的点云拼接及其点云数据处理方法,并应用于建筑物立面测量与提取中。本文以某小区建筑物立面改造项目为案例，研究利用三维激光扫描技术进行建筑物立面改造的外业数据采集、点云数据拼接、点云数据去噪和点云测图的整个流程，并对点云测图的精度进行验证。

1 建筑物平面与立面成果图制作流程

基于三维激光扫描技术的建筑物平面与立面成果图制作流程：

1)依据项目需求，对项目的所有资料进行整理、归纳，完成项目具体测量规划，然后实地踏勘验证项目测量规划的可行性，具体包括建筑平面图及立面资料的收集，现场踏勘以及各个待测建筑立面照片拍摄、编号等工作。

2)当项目所在区域满足测量条件后，进行实地数据采集。三维激光扫描建筑立面数据采集主要包括建筑立面点云数据采集等，必要时还需要借助全站仪、皮尺等辅助补测。针对各个建筑立面的特点，在选定的位置依次架设三维激光扫描仪，对中、整平，量取仪器高，设置合理的扫描密度和扫描距离进行三维激光扫描测量作业，可一次性对单个建筑或几个建筑完成三维激光扫描作业。

3)数据采集完成后，将各测站的数据导入电脑，采用配套的点云数据处理软件，对各测站点云进行配准处理，将配准后的各测站点云拼接，成为一个整体。

4)将建筑各立面点云导入清华山维EPS三维测图软件中，结合建筑立面照片及点云，描绘建筑平面图与立面图，完成建筑物平面与立面成果图制作。

2 测区数据采集

某小区经现场踏勘，人流量大，内部树木多，遮挡情况较为严重，通视条件不理想，如果利用传统测量方法进行立面测量，很难在较短时间内完成外业数据采集，而利用无人机倾斜摄影测量技术进行数据采集，空域申请困难和测区遮挡等问题仍然不能解决。因此，本项目采用三维激光扫描技术进行外业数据采集。

本小区改造项目需要制作小区内所有建筑物的立面图和剖面图，采集数据包括房屋建筑物、阳台、雨棚等的高度、长度和宽度信息。

2.1 项目目标及仪器选择

本项目使用的仪器包括徕卡TM50全站仪、徕卡RTC360三维激光扫描仪、单反像机及皮尺等，使用的软件有徕卡Cyclone点云数据处理软件和清华山维EPS三维测图软件等。徕卡RTC360三维激光扫描仪的相关参数：视角范围，水平360°，垂直270°；有效距离为270 m；测距精度为1.2 mm+D×10-6；角度精度为18″；扫描方式为脉冲式。

2.2 外业数据采集

本项目使用RTC360三维激光扫描仪进行外业数据采集。根据现场踏勘结果，无需在实地布设标靶与地面控制点，直接使用扫描仪自身坐标系统进行激光数据采集，选择地物特征点进行点云数据拼接，点云成果采用RTC360激光扫描仪自身坐标系统。本项目现场测量方案主要包括：

1)按照独立设站的方式架设三维激光扫描仪，具体架站数量可根据现场实际情况确定，但是基本原则为一个拐角保证至少架设1站。

2)按照单机操作扫描方式对小区建筑物进行扫描。扫描范围为仪器架设点全景扫描，扫描分辨率设置为基本分辨率(10 cm×100 cm)，对于细部特征要求高的区域可人工调整扫描分辨率。

3)将三维激光扫描仪的入射角控制在55°以内，确保扫描点云数据的配准精度，同时还要保证测站之间的重叠率大于60%，对于扫描困难区域，要求测站之间的重叠率不能小于30%。

最终在整个小区范围内完成了30站的激光扫描。借助扫描仪自带的误差消除功能，可保证测站之间的处理误差小于5 mm。为了避免二次返工，可使用单反像机采集扫描区照片信息，作为数据储备用于内业测站数据拼接和成图标注。

3 内业数据处理

3.1 点云数据处理

三维激光扫描点云内业处理使用的软件平台为徕卡Cyclone，点云处理主要包括两部分：点云数据拼接和点云数据过滤。

3.1.1 点云数据拼接

点云数据拼接也就是点云配准的过程，是将外业各个站点采集的点云数据统一整合在同一个坐标系下，从而获取测区内具有统一基准的所有点云数据。由于本项目的数据采用无标靶无控制点的采集方式，且测站间的误差已经在扫描仪测量过程中自动消除，所以可以通过直接选择特征点进行点云拼接，即选取不同测站间3个同名建筑特征点组成旋转矩阵实现点云的拼接。本项目所有点云数据拼接后的同名点内符合精度均在6 mm以内。拼接完成后的扫描点云数据如图1所示，其中地面空洞部分为测站架设位置。

图1 配准后的扫描点云数据Fig.1 Scanning Point Cloud Data after Registration

3.1.2 点云数据过滤

点云数据过滤包括两部分：点云数据去噪和点云数据抽稀。点云数据去噪是去除扫描仪在进行激光扫描时由人为操作、环境干扰和仪器等因素产生的噪声点。噪声点的存在不仅会降低点云精度，还会干扰成果制作，如基于点云制作成果时会将噪声点捕捉为特征点。针对不同噪声点类型，采用对应的去噪方式剔除；对于无法剔除的噪声点，可采用人机交互式进行去噪。徕卡Cyclone软件对不同噪声点类型的去噪方法如表1所示。

表1 噪声点主要类型以及对应去噪方法Tab.1 Main Types of Noise Points and Corresponding Denoising Methods噪声点类型定 义去噪方法混杂点非主要地物的点云,如包含测区内车辆、植被及其他设施等的点云按形状过滤漂移点空中离散的点云,如空中颗粒、飞虫、飞鸟等的点云按强度过滤冗余点测区范围外的点云,如路人等点云按多边形过滤

3.2 基于点云数据的图形采集

基于点云数据进行图形采集时，如果点云密度过大，不仅会对图形采集造成一定的影响，还会增加模型辨认的难度，故需要在图形采集前抽稀点云数据。通常抽稀比例为所有有效点云数据量的1/3。为了使抽稀后的点云数据能满足图形采集时对特征点的提取要求，需要确保抽稀后的点云间距小于等于5 mm。

相比于传统外业数据采集和内业编辑成图，利用三维激光扫描仪采集点云进行图形提取是一种更为便捷、直观的成图方法。将处理好的、满足制图要求的点云数据导入EPS三维测图软件中，借助其平面绘制功能提取建筑物二维信息，包括建筑物落地几何尺寸信息和建筑物外部立面几何信息，如图2所示。

图2 建筑物二维信息提取Fig.2 2D Information Extraction of Buildings

基于三维激光点云数据的建筑物落地几何尺寸信息提取，是通过剖面不断调整高程来确定建筑物的有效长边，再利用线相交功能连接相邻长边，得到相应建筑物角点信息，最后根据房屋短边特征获取有效短边，并将其连接到建筑物长边。图2(a)为提取的建筑物落地几何尺寸信息，图2(b)为锁定点云投影面后提取的建筑物外部立面几何信息。

根据小区改造项目要求，需要绘制小区内所有建筑物的落地平面图与立面图。结合建筑物角点信息与立面提取信息，进行修饰和注记等处理，得到建筑物的平面图与立面图，如图3所示。

图3 建筑物的落地平面图与立面图Fig.3 Floor Plan and Elevation Mapping of Buildings

3.3 精度评定

为了对基于点云提取的建筑物信息的精度进行验证，本项目将实地测量的建筑物尺寸与基于点云提取的建筑物尺寸进行比对，统计二者的偏差，用于对点云提取建筑物尺寸的精度进行评估。具体实施方案：首先，选择小区内两栋建筑物作为精度验证样本；其次，测量获取这两栋建筑物及建筑物附属物的部分尺寸信息，包括台阶、窗、门和建筑物外部轮廓；最后，计算实测的尺寸信息与基于点云获取的尺寸信息的差值Δ，计算结果如表2所示。

表2 点云提取建筑物尺寸偏差统计Tab.2 Statistics of Dimensional Deviation of Buildings Extracted from Point Cloud样本类型样本实际尺寸/m图上尺寸/mΔ/cm台阶11.5361.5481.221.5351.5491.430.4310.4552.440.4330.4582.5窗11.3221.3452.321.3181.3432.531.3241.3472.341.3211.3462.5门11.6351.6612.621.6371.6582.130.8520.8863.440.8550.8822.7建筑物外部轮廓111.14311.1222.129.8849.8533.1315.16815.1442.4410.27410.2512.3

由表3计算可知，利用三维激光扫描仪采集点云提取建筑物尺寸信息的最大偏差为3.4 cm，最小偏差为1.2 cm，平均偏差约为2.4 cm，中误差为±2.4 cm。目前，尚无建筑物立面测量方面的相关标准，参考《工程测量规范》中对坐标点精度的要求：主要建筑物点位中误差小于5 cm，一般建筑物点位中误差小于7 cm，本项目利用三维激光扫描技术测量建筑物立面的精度均能达到相关规范要求。

4 结 语

近年来，随着建筑物立面测量项目的增加，三维激光扫描技术应用到建筑物立面测量的案例也越来越多。三维激光扫描技术可在短时间内采集海量点云集与高清影像，而且细节信息丰富，可显著提高外业工作量较大项目中的立面测量的工作效率。本文以实际项目为依托，将三维激光扫描技术应用于小区改造中的平面图与立面图制作，介绍了利用三维激光扫描技术进行测图的重要技术环节，验证了利用三维激光扫描技术进行测图的可行性与便捷性。通过对成图精度进行检验，得到利用点云数据提取建筑物尺寸信息的平均精度可以达到2.4 cm，满足相关规范对建筑物测量的精度要求。