三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用研究

三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用研究

梁智凯 黄华国

巴马精诚测绘地理信息科技有限公司 河池巴马 547500

摘要：城市建筑是城市形象的最佳展现，更是城市历史与文化的最佳载体。在推进城市化过程中，传统的城市建筑无法适应现代城市发展要求，但是在建造和修缮过程中也存在着不容忽略的问题。城市建筑改造的重要目标是，在短期内提升建筑测绘质量和效率，延长资料时长，从而促进建筑物朝着数字化发展，提高可视性。三维激光扫描技术非常新兴，在和传统测绘技术比较过程中，其拥有强大的优势和价值，能为建筑测绘技术提供更广阔的发展空间。因此本文通过概述三维激光扫描技术，以及此技术在建筑立面测绘中的应用情况，为后续建筑工程提供精准数据，保障工程效益和质量。

关键词：三位激光扫描技术；建筑立面；测绘

建筑既承载着人们生产与生存职责，也是历史和文化的客观结晶，是为了解决人类现实需求，利用一定技术和方法、掌握自然规律、区域习俗以及艺术文化理念创造出的人为环境。城市化过程中，一方面提高了人们的生活品质，另一方面也开始重视建筑的艺术性、美观性和实用性。在研究、修缮以及改善建筑物时，三维信息必不可缺。传统人工建设方法存在显著缺陷，所以要提高对的以三维激光扫描技术为代表的技术的重要性。通过三维建模搜集建筑立面纹理，为后续工作提供精准和数据和信息。

一、三维激光扫描技术概述

此种技术也被称为高清晰测量，始于二十世纪九十年代末期。此技术的应用范围广阔，从军事、建筑物修缮、土木工程到城市建设，为未来各领域发展提供技术支持。其工作原理是，此技术由计算机及其配套软件、扫描仪和电源组成，其中核心部分是三维激光扫描设备，其由控制电路板、激光发射与接收设备、时间计数设备等等构成。将激光发射器发射的脉冲激光信号输送到目标建筑物后，通过漫反射让信号返回，其返回时间和发射时间之间的差就是传播时间。由此计算出三维坐标，同时在记录反射强度，即发射率时，还能利用相机搜集到目标RGB信息。此些元素组成了彩色的三维点数据，也可以被称呼为点数。

二、点云数据的搜集和处理

（一）搜集

想要保证三维模型构建精准，一定要重视点云数据采集工作，而搜集建筑物表面特点与结构数据的点云数据能为后续处理工作奠定基础。搜集工作主要分为三个方面，第一是现场勘查，在搜集数据前，地面三维激光扫描仪的工作原理和一般的测量方式相似，要先掌握建筑物周围情况，然后制作现场草图。以此方便技术人员依据建筑物周围遮挡情况与大小，明确测站数量和构架位置。同时还要依据现场情况，勘查建筑物的空间位置、表面纹理特点，为建筑物拍摄照片。第二是做好准备工作，在勘探后要依据现场草图和照片，预测采集工作可能遭遇的问题，制定风险规避方案。同时还要根据观测区实际情况与项目精度标准来选择仪器和架站位置。第三是数据采集，根据方案开展测量工作，不同型号和类型的仪器拥有不同的操作、测量方法。在扫描时，操作者要在控制点架好仪器，通过连接笔记本电脑和仪器配套软件来搜集目标建筑物数据信息。先要进行全景扫描，明确目标建筑物范围。然后进行精细扫描，保证点云数据精准、完整。

（二）处理

通过三维激光扫描技术能够获得非常庞大的点云数据，一些点云数据重复、冗长，所以需要开展数据处理工作，让其成为具有实效性的数据成果。点云数据的特征是，数量庞大，一个测绘站可以搜集到由百万个点构成的点云数据；精度强，其最小单位是毫米；数据信息丰富，包括表面色彩、反射强度等内容。点云数据被分为四类，第一类是扫描线式点云数据；第二类是阵列式点云数据；第三类是格网式点云数据；第四类是散乱式点云数据。在处理点云数据时存在以下几种误差，测量误差；系统结构误差；坐标配准误差；反射面倾斜影响误差。

主要通过两种方式来处理点云数据，第一种是去噪，如果建筑物处于繁杂区域，点云数据中会存在噪声点，降低数据的精准性、影响处理效率。所以对于肉眼可看并且数量大的数据，直接应用软件提供的人机交互方法处理，手动删除。对于灰尘，可以利用采样方法进行分离。对于离群点噪音，利用去噪方法清除。第二种是精简，目标建筑物体积越大、扫描分辨率越强，点云数据越多，其中存在很多重复、冗余的数据，要通过软件中提供的统一采样能力来精简数据，均匀抽稀、调控疏密，提高数据的精准性。

三、构建模型、分析精度

（一）生成建筑物立面图

建筑物立面图中涵盖广阔，从表面外貌、垂直方向的高度、外部结构数据到装饰造型等。利用点云数据可以制作立面图，让点云精度和图精度具有一致性，比例是1:1，这样可以展示出建筑表面的结构特点与纹理。但是根据上文可知，点云数据量非常大，软件加载能力有限，所以必须先开展数据分割工作，然后再绘制。

其绘制方法主要分为两种，第一种是根据三维模型来获取立面要素，通过计算机设备获取然后软件绘制。第二种是通过平面投影来绘制立面，先利用软件来处理平面投影，提取其数据然后绘制。

（二）构建建筑三维实体模型

1.建模方法

在掌握点云数据的基础上，生成三维模型，然后利用立面图来反向推演出三维模型。首先是几何建模，利用建筑物距离相近的两个面交互的轮廓线来构建线框模型、实体模型。其次是三角格网建模，把搜集和处理后点云数据制作成三角格网，然后形成拓扑关系，构建三维模型。最后是曲面建模，通过上述的几何拓扑关系，将点云数据利用拟合离散制成曲线，再拟合成曲面，最终设计三维模型。

2.构建

将点云数据输入3DMAX里，旋转到主视图，然后利用数据和地形图描绘形状，将二维转为三维。然后旋转到顶视图，通过可编辑多边形功能来调整模型形状。重复以上两个步骤，直到视图和点云数据的尺寸一致。

纹理是建筑物表面的外貌特点，所以纹理贴图就是的映射程序，利用UV坐标将纹理映射在3D目标表面。要重视材质的基础作用，通过纹理贴图细化细节，加强三维模型的贴合性和真实性。

四、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。

五、结束语

测绘技术的发展也让三维激光扫描技术实现新突破，加强不同技术的融合性，切实展现建筑物的几何特点，为数字化发展提供重要资料。三维激光扫描技术虽然实效性强，但其仍有不成熟的地方。所以必须重视此技术在建筑立面测绘中的应用和实践，为后续修缮提供数据支持。

参考文献：

[1] 于雷,陈秋. 三维激光扫描技术在建筑立面施工中的应用研究[J]. 建材与装饰,2021,17(3):116-117.

[2] 黄敏. 三维激光扫描技术在建筑立面改造中的应用[J]. 北京测绘,2021,35(1):56-60.

[3] 史正军. 三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J]. 北京测绘,2020,34(10):1388-1391.