三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用

三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用

刘志鹏

北京首钢国际工程技术有限公司 北京 100043

摘要：近年来我国科技水平的提升，建筑行业的施工技术在不断的提高。地面三维激光扫描技术不同于传统测量技术的单点定位方式，而是利用激光测量单元进行从左到右、从上到下的全自动高精度测量，进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点的三维坐标。这种方法采用非接触测量，速度快，精度高，真实还原，不受建筑物外立面复杂度影响。本文就三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用展开探讨。

关键词：建模；三维激光扫描；建筑立面图

引言

建筑立面测量常用的方法有测距仪法、普通全站仪辅成图软件法、近景摄影测量法和三维激光扫描法。其中三维激光扫描是一种全自动高精度立体采集技术，对建筑物进行无接触、快速、高精度扫描，获取物体表面三维空间坐标。

1.扫描的原理

三维激光扫描由激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号，从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。

2.三维激光扫描技术的优点

近几十年来，随着计算机技术、空间技术、激光技术等现代科技的不断进步，测绘技术也在不断地更新进步。从原来的传统的单点测量手段获取局部的观测数据，到利用摄影测量、三维激光扫描技术获得全局的观测数据。传统建筑测绘技术得到成果只是被测目标的二维平面图，而地面三维激光扫描技术可以得到被测目标的三维空间信息，不仅包括了建筑细节部分的信息还可包括建筑整体结构信息。在建筑物测绘时，地面三维激光扫描技术具有传统建筑测绘技术所不具有独特优势:（1）非接触测量:利用传统的测量手段进行测量时，通常需要借助反射棱镜或者在被测物体表面做某些处理，而三维激光扫描技术不需要接触到物体即可确定物体的三维信息。（2）随时性。相对比于受天气影响较大的传统测量方式，三维激光扫描技术通过仪器主动发射激光信号，来进行测量，不受天气等其他因素影响，能够随时工作。（3）高效，细致。在数据的获取速度上，明显比传统测量获取的速度快，时间上更迅速。在快速的同时数据量方面也比传统的要详细，对于建筑物的细节方面有更加细致的数据和信息。（4）直接生成三维空间成果。三维激光扫描技术采集到的点云数据包含目标表面的三维坐标信息、反射率信息以及色彩信息，并将这些信息将以直观的方式展现在用户面前。用户还可以直接在得到的点云数据上进行相关量测、计算和分析，以此快速获取所需的距离、方位角等信息。（5）可与GPS系统、外置数码相机配合使用。GPS系统能够准确的定位仪器的位置信息，很好的解决了血多工程项目无法准确定位的问题;外置的高分率数码相机能够拍摄获取目标物的影像信息，为后期三维建模提供目标物的纹理信息和色彩信息。（6）自动辅助整平。地面三维激光扫描仪自带整平系统，很好的缩减每一测站整平的时间，大大缩减了外业的工作时间。

3.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用

3.1数据采集

1. 点云数据采集。在进行三维扫描之前，需要实际踏勘现场，根据目标建筑物的实际情况及立面图的要求设置扫描路线、合理布设扫描站点。外业工作时根据扫描最佳距离和角度按照自由设站的布设方法，采集站点主要布设在街中心，保证了高质量获取目标建筑物正立面的点云数据。对于实地多层建筑物采取不同梯度增加扫描设备作业高度方法，确保采集数据的完整性。（2）纹理数据的获取。使用数码相机摄影获取目标的纹理数据。根据工程需求使用不同角度、分辨率获取建筑物外立面影像数据。外业摄影时要尽量保证建筑外立面的完整和清晰的部件表征。尽量采用正直摄影即相机的镜头与建筑物外立面平行。摄影前根据现场情况作出合理设计，拍摄时逐个建筑连续拍摄，注意保持相邻建筑物正立面衔接部分的影像完整。

3.2彩色点云浏览

三维激光技术独有的点云全景浏览使得管理者可以真实的浏览建筑现场及内部等最细微的地方，全面直观的展示出现状结构、空间环境。

3.3点云去噪

噪声点不仅仅会影响三维模型的精度，而且更会影响处理速度，因此为了降低噪声对后续建模精度的影响，有必要对点云进行去噪，来保证后期三维建模时的精度。噪声点主要是来来往往的行人、杂乱的电力线、城市绿化、空气中的灰尘颗粒以及仪器本身造成的粗差点云等。针对于这些噪声点一般都以下几种处理方法:(1)对于一些数据量大且人眼可直接观察的点云数据，可以直接使用点云处理软件中人机交互的方式，手动框选中后将之删除;(2)对于空气中的灰尘，可以利用软件自带的“采样”功能，将其分离出去;(3)对于剩余的噪声多属于离群点，其密度不均且离主体建筑物对象较为接近，采用手工删除的方法效率较低、去噪效果较差，因此可以选择在软件中的“去噪”功能，来去除该类噪声。扫描时间要与上下班高峰期错开，因此行人、车辆较少，噪声点大多为树木、空气灰尘等。将三个测站的点云导入软件中，发现数据存在着噪声点云，这会影响点云配准的精度，所以先通过软件中“选择”功能中的“非连接项”和“体外弧点”选项，进行初步去噪工作。非连接点是通过与主体点云的距离关系，剔除与主体点云没有连接关系的噪声点;体外弧点是剔除与主体点云中绝大多数点云相距较远的噪声点。

3.4点云模型生成

经过数据配准，将全部站点的数据统一到同一个坐标系下，再进行点云去噪平滑等处理工作，便可生成目标物体的点云模型。

3.5基于正射影像的立面图绘制

建筑立面测量工作中最重要的步骤是立面图的绘制，立面图是将建筑物每个立面投影到与其平行的铅垂投影面上得到正投影图，保证建筑模型立面进行正射投影、消除投影畸变是绘图关键。利用点云数据绘制立面图可采用两种方法:一是在三维环境下对点云进行立体特征点提取，直接绘制建筑三维立面图;二是将点云进行平面投影，在二维环境下对平面点云描绘立面图。项目采用基于正射影像的立面图进行绘制，TBC软件点云模块提供的正射影像功能可以通过定义投影面对点云进行平面投影，扫描生成正射影像图。由于点云之间有空隙，在不同视图中前后点云重叠，造成视觉混乱。为了消除前后点云对视觉的影响，可在投影操作前将对立面的点云进行消隐再创建正射影像。

结语

由于三维激光扫描测绘技术在获取物体三维激光点云影像数据方面取得了突破以及数据融合了其他信息内容，为其建筑物测绘与保护等领域的应用提供了条件。快速、准确、高效地获取测量目标的三维影像数据，不但使得测绘技术人员突破传统测量数据处理方法，进行新的数据挖掘和开发研究，而且使得建筑师可以突破某些传统定势，用现代技术处理建筑物保护和复原等工作。

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