劉永鋒，李翅，周凱，李浩，劉傳逢

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是一種無須接觸測量目標(biāo)就可以快速獲取物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后利用相關(guān)的后處理軟件來構(gòu)建出掃描實(shí)體真實(shí)的三維模型的測量技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[1]。利用該技術(shù)所獲取的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)被稱為“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)、快速、動態(tài)、真實(shí)地反映客觀事物的現(xiàn)狀，為科學(xué)準(zhǔn)確地建立數(shù)字模型提供一種全新的技術(shù)手段。與激光測距技術(shù)中點(diǎn)對點(diǎn)的測量方法不同的是，三維激光掃描技術(shù)使傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動獲取批量數(shù)據(jù)，不僅極大提高了測量的速度，也提高了測量的精度和密度，是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域研究關(guān)注的熱點(diǎn)之一[2～5]。

在以往涉及建筑物平立面測繪的工程中，通常采用的辦法是架設(shè)全站儀獲取建筑物的三維點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合卷尺及測距儀量取建筑物的細(xì)部尺寸，同時(shí)需要繪制草圖，然后將測量數(shù)據(jù)展繪到CAD等繪圖軟件中，依照外業(yè)草圖繪制建筑物平立面圖。這種方法不僅人員投入多、工作量大、工期長，而且在針對較為復(fù)雜的建筑物時(shí)很難滿足精度要求，有時(shí)針對特別復(fù)雜的異形建筑物時(shí)甚至束手無策[6，7]。

本文以受武漢地鐵集團(tuán)有限公司委托的關(guān)于勝利倉庫地鐵博物館改造項(xiàng)目為實(shí)例，采用徠卡公司生產(chǎn)的高精度地面三維激光掃描儀P40，結(jié)合與儀器配套的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 9.1及AutoCAD激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理插件CloudWorx，探索了地面三維激光掃描技術(shù)在歷史建筑物測繪中的應(yīng)用。

2 理論基礎(chǔ)

從掃描方式上來劃分，地面三維激光掃描系統(tǒng)分為移動式掃描系統(tǒng)和固定式掃描系統(tǒng)兩種。固定式掃描系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測量中的全站儀，不同的是固定式掃描儀采集的并不是離散的單點(diǎn)三維坐標(biāo)，而是物體表面的海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。從硬件結(jié)構(gòu)上來看，地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：掃描儀、控制器和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀又包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成了CCD和儀器內(nèi)部控制及校正等系統(tǒng)[8]。

地面三維激光掃描系統(tǒng)一般使用儀器自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：坐標(biāo)原點(diǎn)位于掃描儀中心，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描面，如圖1所示。激光測距系統(tǒng)采用脈沖式測距、相位式測距、激光三角法測距等方式測算出原點(diǎn)O距激光掃描點(diǎn)的距離S；激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)精確控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描，測量得到每個(gè)脈沖激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ。由此，可計(jì)算出掃描激光點(diǎn)在被測物體上的三維坐標(biāo)為[9]：

(1)

圖1 掃描坐標(biāo)系統(tǒng)

3 作業(yè)流程

勝利倉庫地鐵博物館改造建筑物結(jié)構(gòu)及平立面測量項(xiàng)目的委托方為武漢地鐵集團(tuán)有限公司，該項(xiàng)目需要以線劃圖的形式(平面圖、立面圖)還原位于江岸區(qū)四維路、勝利街交叉口的A、B兩棟歷史建筑的結(jié)構(gòu)原貌，為地鐵博物館改造的設(shè)計(jì)、施工提供必要的第一手資料，屬于一種典型的逆向工程。A棟建筑為近代租界區(qū)德商瑞記洋行，原為三層建筑，后其上又加建一層，保留建筑面積為 4 200 m2，如圖2所示。B棟建筑與A棟建筑緊鄰，為近代租界區(qū)金銀券倉庫，保留建筑面積為 9 000 m2，如圖3所示。該歷史建筑年代久遠(yuǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且墻體、梁及柱均變形嚴(yán)重，在對建筑物進(jìn)行平立面測繪及面積測量時(shí)，如果采用常規(guī)全站儀設(shè)站方式，須逐層逐邊進(jìn)行量測后再進(jìn)行手工繪制分層平面及立面圖。這樣做不僅內(nèi)外業(yè)工作量巨大，且圖形不規(guī)則，精度難以達(dá)到要求，這給傳統(tǒng)測繪帶來了巨大挑戰(zhàn)?；谝陨峡剂?，此項(xiàng)目采用徠卡公司最新生產(chǎn)的第八代高精度三維激光掃描儀P40進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的獲取，并采用配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 9.1及AutoCAD插件CloudWorx進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的處理。整個(gè)作業(yè)流程分為外業(yè)掃描過程和內(nèi)業(yè)處理兩部分，如圖4所示。

圖2 A棟建筑

圖3 B棟建筑

圖4 作業(yè)流程

3.1 外業(yè)掃描

(1)現(xiàn)場踏勘

根據(jù)歷史建筑物內(nèi)部和外部的實(shí)際情況，確定出合適的儀器架設(shè)位置，并根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)合適的測站數(shù)，以確保選擇的測站能夠覆蓋需要掃描的全部區(qū)域，并保證點(diǎn)云精度和密度。

(2)控制點(diǎn)布設(shè)

地面三維激光掃描儀進(jìn)行掃描時(shí)使用的是儀器自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了后期將完整的拼接結(jié)果轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系(國家、地方)，就需要在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)前在踏勘現(xiàn)場的基礎(chǔ)上布設(shè)、測定高密度、高精度的控制網(wǎng)，然后根據(jù)掃描設(shè)備的特點(diǎn)和掃描對象的色彩、材質(zhì)等屬性進(jìn)行掃描測繪。為滿足建筑工程規(guī)劃驗(yàn)收測量精度的要求，本工程以《城市測量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)及《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 73-2010)為依據(jù)布設(shè)控制網(wǎng)。控制網(wǎng)的布設(shè)需要參考一下幾個(gè)原則：控制網(wǎng)的精度要高于建筑物建模要求的精度；控制網(wǎng)中各相鄰控制點(diǎn)之間要通視，即要求一個(gè)控制點(diǎn)至少與兩個(gè)控制點(diǎn)通視；控制網(wǎng)布設(shè)的網(wǎng)型要合適，能使得掃描儀完全獲取建筑物數(shù)據(jù)；控制點(diǎn)與被測建筑物之間的距離最好保持在 50 m以內(nèi)來提高精度。

(3)標(biāo)靶布設(shè)

由于單站掃描范圍的局限性，一個(gè)完整的工程往往需要進(jìn)行多次轉(zhuǎn)站掃描。每站掃描數(shù)據(jù)都有一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，在將多站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接時(shí)需要將多站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)坐標(biāo)系中，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中，通過對公共點(diǎn)的測量來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保證轉(zhuǎn)換精度，公共點(diǎn)一般采用特制的球面(形)標(biāo)靶和平面標(biāo)靶。標(biāo)靶的布設(shè)要滿足以下幾個(gè)原則：相鄰測站間有兩個(gè)或兩個(gè)以上的公共標(biāo)靶；標(biāo)靶不能和測站點(diǎn)分布在同一直線上；標(biāo)靶必須和測站通視，且距離測站不宜太遠(yuǎn)。

(4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的地面三維激光掃描儀的品牌和類型較多，性能和精度也各有差異。根據(jù)工程要求對比選型后，本項(xiàng)目選擇采用徠卡三維激光掃描儀ScanStation P40進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，其主要性能參數(shù)如表1所示。掃描步驟大致分為儀器安置、儀器參數(shù)設(shè)置、開始掃描、換站掃描等幾個(gè)過程。外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作耗時(shí)2.5天，共架設(shè)103站，獲取到包括測區(qū)全部區(qū)域在內(nèi)的29億個(gè)三維點(diǎn)。

P40三維激光掃描儀性能參數(shù) 表1

3.2 內(nèi)業(yè)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理使用與硬件配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 9.1，建筑物平立面圖的繪制及面積計(jì)算使用AutoCAD軟件。整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理過程包括點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)系歸一化、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云合并、點(diǎn)云切割及平立面圖繪制等幾個(gè)流程，具體處理步驟如下：

(1)點(diǎn)云拼接與坐標(biāo)系歸一化

點(diǎn)云拼接是通過一定的約束條件將多站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系中的過程，拼接完成之后將得到一個(gè)項(xiàng)目的完整點(diǎn)云。一般有兩種方式：基于標(biāo)靶的拼接和基于點(diǎn)云的視圖拼接?；跇?biāo)靶拼接的前提是掃描儀現(xiàn)場在整平狀態(tài)下的掃描站點(diǎn)與站點(diǎn)之間有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的公共標(biāo)靶，該方式的自動化程度較高；基于點(diǎn)云的視圖拼接是利用站點(diǎn)之間掃描的公共區(qū)域進(jìn)行的半自動拼接，該方式需要依靠人眼來識別曲率、輪廓線等特征，人為因素干擾較大。根據(jù)現(xiàn)場條件，項(xiàng)目采用兩種方式混合拼接的方式，即基于標(biāo)靶拼接與基于視圖拼接兩種方式結(jié)合在一起使用：在室外方便布設(shè)控制點(diǎn)的地方采用標(biāo)靶拼接，室內(nèi)不便布設(shè)控制點(diǎn)的地方采用視圖拼接。具體步驟包括新建一個(gè)Registration，在Registration中添加相鄰的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，添加約束條件，拼接點(diǎn)云等，這一系列操作可以通過Registration菜單下的工具實(shí)現(xiàn)。如圖5所示為所有站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后的建筑物整體效果，圖6為建筑物內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)圖。

圖5 完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖6 部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(2)點(diǎn)云去噪與點(diǎn)云合并

點(diǎn)云去噪是一種點(diǎn)云優(yōu)化過程。在掃描儀的原始點(diǎn)云中往往包含若干對于成果處理有不良影響的點(diǎn)，去噪就是通過一定的處理手段，讓有效點(diǎn)保留，無效點(diǎn)刪除的過程。點(diǎn)云去噪可以通過Fence工具和Limit Box工具實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)云合并也叫點(diǎn)云統(tǒng)一化，也是對點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化的一種處理方式，目的是將整個(gè)視圖中的多站點(diǎn)云統(tǒng)一處理為單一的合并點(diǎn)云，統(tǒng)一化處理完成后，點(diǎn)云的瀏覽、選擇等操作都會在原有的基礎(chǔ)上變得更加流暢。點(diǎn)云合并可以通過Unify Clouds工具或Merge工具實(shí)現(xiàn)。

(3)點(diǎn)云切割與平立面圖繪制

點(diǎn)云的切割操作是為后續(xù)的輪廓線描繪做準(zhǔn)備。利用Cyclone 9.1軟件的Cutplane切片工具分別從水平和垂直的方向?qū)c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，切片厚度根據(jù)具體情況調(diào)整，以能夠直觀清晰地看到建筑物墻體、門、窗、樓梯等構(gòu)件的輪廓線為準(zhǔn)。為了保證切片切割的面為水平或垂直方向，通常需要將Reference Plane參考面工具與切片工具一同使用。先根據(jù)某點(diǎn)建立XY、XZ或YZ方向的參考面，再通過參考面定義切片即可。切片厚度由實(shí)際需要決定，或者根據(jù)點(diǎn)云的掃描密度決定，掃描點(diǎn)云越密集，切片厚度可以設(shè)置得越薄，后續(xù)通過參考面生成的各種成果的精度也將更高。

由于項(xiàng)目要求的是恢復(fù)歷史建筑物的原貌，而不完全是根據(jù)現(xiàn)場情況測繪出建筑物現(xiàn)狀，這給工程的推進(jìn)又加大了不小的難度。為了做到這一點(diǎn)，需要工程人員在平立面圖繪制的整個(gè)過程中都要注意判斷、區(qū)分建筑原貌部分和后期加蓋部分。比如圖7為工程人員現(xiàn)場拍攝的A棟一樓大廳的局部照片，圖8為該部分的三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖中標(biāo)記為“1”的部分是建筑物柱子的原貌，標(biāo)記為“2”的部分為后期裝修時(shí)在柱子外圍包裹的一層貼磚。為了提取原始柱子的輪廓線，需要在柱子中間沿水平面切割點(diǎn)云數(shù)據(jù)。正確的裁切面應(yīng)經(jīng)過“1”處；否則，若在“2”處選擇切面裁切將會使得柱子長寬變大，與原貌不符。

圖7 A棟大廳照片

圖8 A棟大廳點(diǎn)云圖

梁是建筑物中重要的構(gòu)件，項(xiàng)目需要準(zhǔn)確地反映其長、寬及相對位置。在常規(guī)的建筑中，梁一般是橫平豎直地規(guī)則分布，在該歷史建筑物中有局部的梁表現(xiàn)出了特殊性。如圖9所示，該部分有一段西南-東北走向的斜梁，利用傳統(tǒng)測繪手段不僅操作困難，且難以準(zhǔn)確確定橫梁與斜梁的連接位置。然而將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD進(jìn)行輪廓描線能輕松實(shí)現(xiàn)。最終還原出該局部梁的分布情況，如圖10所示。

圖9 B棟2層局部梁點(diǎn)云圖 圖10 B棟2層局部梁線劃圖

利用CloudWord插件中的導(dǎo)入ModelSpace視圖功能將切割好的切片視圖加載到AutoCAD軟件中，再用CAD的畫線功能繪制立面圖和平面圖，如圖11所示。部分無法識別的細(xì)部可利用Measurements量測工具進(jìn)行輔助繪制，點(diǎn)云量測需多次量測取平均值。由于樹木或車輛遮擋而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確繪制尺寸的部位，則需要到現(xiàn)場使用常規(guī)方法進(jìn)行補(bǔ)測。

圖11 在AutoCAD中繪制平立面圖

最終的測繪成果包括A、B兩棟建筑的各個(gè)立面圖及分層平面圖，如圖12～圖16所示(以B棟建筑部分成果為例)。

圖12 B棟二層平面圖

圖13 B棟二層房頂平面

圖14 B棟立面圖(南)

圖15 B棟立面圖(北)

圖16 B棟立面圖(東)

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

地面三維激光掃描技術(shù)是近年來剛發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，本文在對該技術(shù)的原理做了充分了解后，結(jié)合歷史建筑物原貌恢復(fù)的實(shí)際工程項(xiàng)目，重點(diǎn)研究了該技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的歷史建筑物測繪中的應(yīng)用。通過布設(shè)控制網(wǎng)，使用徠卡P40三維激光掃描儀獲取歷史建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)系歸一化、去噪、合并、切割、提取輪廓線等后處理操作步驟，最終以平立面圖的成果形式恢復(fù)了歷史建筑物的原貌。此項(xiàng)目的順利完成驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于精細(xì)化建筑物測繪中的有效性及高效性，證實(shí)了三維激光掃描技術(shù)在解決傳統(tǒng)測繪手段存在的“難測繪”、“精度低”、“工期長”等痛點(diǎn)方面具有極大的應(yīng)用前景。同時(shí)，三維激光掃描可在不搭建腳手架，不與建筑物接觸，最大程度減少對建筑物的影響的情況下進(jìn)行掃描測量，這對于具有一定歷史文化價(jià)值的異形建筑物具有重要的意義。

4.2 展望

隨著地面三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的日漸普及和深入，在各個(gè)工程領(lǐng)域都表現(xiàn)出了較好的技術(shù)優(yōu)勢，是科學(xué)技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的一次新技術(shù)革新。地面三維激光掃描技術(shù)以其高效率、高采樣率、高精度、高密度、非接觸性等優(yōu)勢，在測繪領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力。因此，在今后的實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)踐中還有待進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍，最大限度地發(fā)揮其在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，如隧道土方測量、斷面測量、變形監(jiān)測、竣工測量等。另外，配套的數(shù)據(jù)后處理軟件的功能開發(fā)及應(yīng)用研究工作也要進(jìn)一步深入開展。

[1] 馬立廣. 地面三維激光掃描測量技術(shù)探究[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2005.

[2] 王星杰. 三維激光掃描儀在道路竣工測量中的應(yīng)用[J]. 北京測繪，2012(4)：21～25.

[3] 姜如波. 基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物模型重建[J]. 城市勘測，2013，19(3)：113～114.

[4] 李超. 三維激光掃描技術(shù)在城市特殊結(jié)構(gòu)測量中的應(yīng)用[J]. 測繪通報(bào)，2014(1)：71～73.

[5] 張華. 移動式三維激光掃描系統(tǒng)在盾構(gòu)隧道管片橢圓度檢測中的應(yīng)用[J]. 城市勘測，2015(4)：103～106.

[6] 呂寶雄. 基于三維激光掃描的建筑立面測繪關(guān)鍵技術(shù)[J]. 西北水電，2015(5)：30～32.

[7] 張平，黃承亮，朱清海等. 基于三維激光掃描技術(shù)的異型建筑物建筑面積竣工測量[J]. 測繪與地理空間信息，2014，37(5)：222～224.

[8] 徐進(jìn)軍，余明輝，鄭炎兵. 地面三維激光掃描儀應(yīng)用綜述[J]. 工程勘察，2008，12：31～34.

[9] 謝宏全. 地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用[M]. 武漢：武漢大學(xué)，2016.