基于三維激光掃描技術(shù)的城市建筑外立面測(cè)量體會(huì)

黎東昇 茂名市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站

為了能夠更好的提高城市形象，改良現(xiàn)有的居住環(huán)境，目前大多數(shù)城市都在努力進(jìn)行城市建筑外立面的提高改造。很多老建筑因?yàn)樽陨砟甏眠h(yuǎn)，當(dāng)初很多設(shè)計(jì)以及改建等相關(guān)的活動(dòng)資料都早已不見蹤影[1]。所以對(duì)建筑現(xiàn)狀的調(diào)查以及測(cè)量具有非常深刻的價(jià)值。常規(guī)的建筑立面測(cè)量方法涵蓋了經(jīng)緯儀交會(huì)法以及鋼尺測(cè)量等，不過測(cè)量總體勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化程度并不高，測(cè)量高度受限，對(duì)測(cè)量的環(huán)境具有非常嚴(yán)格的要求。如果需要給城區(qū)臨街建筑的外立面進(jìn)行測(cè)量，還需要解決來往車輛以及行人等造成的遮擋難題。外業(yè)搜集實(shí)施的難度相對(duì)較大，總體效率較低。地面三維激光掃描技術(shù)并不接觸測(cè)量目標(biāo)，可高精度以及自動(dòng)化的采集測(cè)量目標(biāo)的三維點(diǎn)云，為建筑物建模擬及外立面改造提供現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)資料。

一、三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)研究

三維激光掃描技術(shù)屬于主動(dòng)式的測(cè)量技術(shù)，利用自身內(nèi)置的激光發(fā)生器，通過極高的頻率向周邊環(huán)境發(fā)射激光束，利用計(jì)時(shí)元件詳細(xì)記載激光束從由目標(biāo)點(diǎn)反射回來的脈沖信號(hào)同激光束發(fā)生的時(shí)間差，轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量的距離，同時(shí)疊加上激光束的方向信息，利用相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取周邊環(huán)境中地物表面的密集點(diǎn)云。激光束的發(fā)射頻率通常情況下，能夠達(dá)到百萬點(diǎn)每秒，所以能夠應(yīng)付大面積以及高效率的測(cè)量任務(wù)，譬如對(duì)于大片的城市建筑外立面測(cè)量更為符合。其技術(shù)特點(diǎn)在于，首先搜集數(shù)據(jù)的完整運(yùn)用常規(guī)的全站儀等測(cè)量工具時(shí)，照準(zhǔn)部的視場(chǎng)狹窄，在大仰角測(cè)量時(shí)，瞄準(zhǔn)目標(biāo)難度大，所以必須把儀器擺設(shè)在距離測(cè)量目標(biāo)一定的距離外，城市高層建筑高度很多將近百米至幾百米高，找尋適合的設(shè)站點(diǎn)難度大，所以搜集建筑物的信息時(shí)，概括性大，立面上搜集的碎部點(diǎn)數(shù)量相對(duì)稀少，因?yàn)槠渌匚锏恼趽鯁栴}，無法確保建筑外立面搜集數(shù)據(jù)的整體性。三維激光掃描儀受到仰角限制小受仰角限制小，排除儀器底部外，可取得周邊環(huán)境中不同方向的區(qū)域數(shù)據(jù)。排除對(duì)儀器的設(shè)站點(diǎn)要求低外，三維激光掃描技術(shù)能夠迅速取得高密度的建筑物立面點(diǎn)云，可搜集細(xì)小的建筑物附屬結(jié)構(gòu)等的三維形態(tài)，更加全面地搜集建筑物的立面信息[2]。

其次就是測(cè)量精度高，三維激光掃描儀的單點(diǎn)精度同全站儀相同，屬于精密測(cè)量設(shè)備。通常激光束相關(guān)的光斑大小在百米處沒有超出2cm。距離測(cè)量精度能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)，坐標(biāo)精度毫米級(jí)。

然后就是自動(dòng)化程度高，常規(guī)的經(jīng)緯儀以及測(cè)距儀等都屬于單次測(cè)量，碎部點(diǎn)的搜集，必須借助大量的人工。三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用了激光測(cè)距儀以及不同軟件的特點(diǎn)，無須大量的人力，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化數(shù)字測(cè)量。

最后就是工作效率，常規(guī)的測(cè)量方法必須進(jìn)行多人協(xié)作完成測(cè)量任務(wù)，譬如觀測(cè)人員以及記錄人員等。全站儀免棱鏡觀測(cè)也需要依靠觀測(cè)人員。三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)測(cè)量的受限，常規(guī)測(cè)量工具必須進(jìn)行碎步點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量，總體效率不高，同時(shí)還必須構(gòu)建繁雜的控制網(wǎng)聯(lián)系不同數(shù)量的測(cè)站，在一定程度上加大了工作難度。一旦碰到建筑立面結(jié)構(gòu)繁雜等情況下，總體測(cè)量工作遲緩。三維激光掃描技術(shù)在一次測(cè)量中，就能夠急速測(cè)量幾百萬個(gè)目標(biāo)表面點(diǎn)數(shù)據(jù)。一次設(shè)站，只需要數(shù)秒以及數(shù)分鐘，就可搜集海量的建筑物表面的空間點(diǎn)位信息，取得精確的建筑表面數(shù)字模型。三維激光掃描技術(shù)能夠給建筑物立面測(cè)量提供了一種高速度以及自動(dòng)化的解決方法，較為符合在城市景觀提高改造高程中實(shí)施運(yùn)用。

二、建筑外立面測(cè)量作業(yè)流程

運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物立面測(cè)量，大部分涵蓋了外業(yè)數(shù)據(jù)搜集，以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處置，繪制建筑外立面圖等步驟，具體見圖1。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測(cè)繪建筑物外立面工作流程圖

（一）外業(yè)數(shù)據(jù)搜集

由于受到測(cè)量距離以及遮擋等要素影響，三維激光掃描儀很難一次完成具體的測(cè)量任務(wù)，必須在不同測(cè)站上，依次掃描后，利用點(diǎn)云處理軟件實(shí)施拼接，才可構(gòu)成完整的測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了能夠最大程度的保障拼接精度，施工的工程在相鄰測(cè)站相互，可運(yùn)用3個(gè)標(biāo)靶球以及凸顯的地物特征點(diǎn)做公共點(diǎn)和連接點(diǎn)。三維激光掃描儀全自動(dòng)數(shù)字搜集，只需要把儀器整平后，就能夠開展工作，按照設(shè)定的掃描范圍自動(dòng)終止。具體實(shí)施過程中，安排2名測(cè)量人員協(xié)同作業(yè)，一人負(fù)責(zé)操作儀器，另外一人運(yùn)用高分辨率單反相機(jī)搜集建筑立面信息，同時(shí)仔細(xì)勘察周邊環(huán)境，預(yù)先設(shè)計(jì)布設(shè)的測(cè)站數(shù)以及設(shè)站點(diǎn)，放置標(biāo)靶球時(shí)，注意3個(gè)標(biāo)靶球產(chǎn)生的三角形的圖形強(qiáng)度，確保標(biāo)靶在兩站掃描時(shí)沒有出現(xiàn)移動(dòng)。掃描時(shí)，最好讓建筑物信息搜集保持完整，控制測(cè)站數(shù)量的基礎(chǔ)上，必須兼顧拼接質(zhì)量。因?yàn)檐囕v和周邊建筑物外圍的附屬物等要素感染，在每站掃描完成后，瀏覽掃描結(jié)果，必須充分保障沒有遺漏重要測(cè)量內(nèi)容。對(duì)出現(xiàn)遺漏的位置，在另一站掃描時(shí)進(jìn)行改良，兩站點(diǎn)云還必須保障有40%左右的重合率。

（二）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

本工程運(yùn)用Cyclone軟件實(shí)施點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處置，以及AutoCAD軟件繪制矢量圖。工藝流程涵蓋了點(diǎn)云拼接以及點(diǎn)云分割等環(huán)節(jié)。譬如點(diǎn)云精簡，因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，對(duì)于之后導(dǎo)入AutoCAD中繪制矢量圖具有一定的影響，所以必須對(duì)點(diǎn)云實(shí)施適度的精簡。精簡大部分都是對(duì)重疊區(qū)域點(diǎn)云的精簡等。軟件中設(shè)計(jì)了不同類型的采樣方法，如隨機(jī)采樣以及曲率采樣等。

三、結(jié)語

傳統(tǒng)的建筑外立面測(cè)量方法具有一定的不足，無法充分符合大范圍，以及機(jī)動(dòng)性的城區(qū)建筑立面改造提高所需。隨著相關(guān)技術(shù)的快速進(jìn)步以及設(shè)備價(jià)格的下降，未來三維激光掃描儀，必定會(huì)在城市改造提高項(xiàng)目中，得到充分的運(yùn)用。