張 立，宋 莉

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130)

傳統(tǒng)的建筑立面測量使用“全站儀免棱鏡測量+手繪草圖”相結(jié)合的方法。使用全站儀測量門窗等結(jié)構(gòu)的每個角點，并輔以草圖說明，內(nèi)業(yè)處理時將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成立面的二維坐標(biāo)，繪制出建筑立面的CAD文件。

這種作業(yè)方式在面對古建筑等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)較為復(fù)雜的情況時，需要測量的結(jié)構(gòu)點非常多，工作量大且不容易記錄，效率較為低下。因此，有必要對原有的工作流程進(jìn)行改進(jìn)，以完成更多類型建筑的立面測圖任務(wù)。

三維激光掃描技術(shù)，又稱實景復(fù)制技術(shù)，可以快速重建出整個建筑物的全部空間幾何特征，以1∶1的真實比例呈現(xiàn)在計算機(jī)中，其數(shù)據(jù)格式為高密度、高精度的點云數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)軟件可以快速精確地制作建筑立面圖形。

1 三維激光掃描立面測圖方案

1.1 現(xiàn)場作業(yè)

為了保證原始數(shù)據(jù)的精度及工作的便捷度，外業(yè)掃描宜采用架站式三維激光掃描儀。

本次采用的型號為天寶TX8，該型號設(shè)備采用閃電激光技術(shù)，將相位測距技術(shù)與脈沖測距技術(shù)結(jié)合，可以在高速掃描的同時，達(dá)到高精度和遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，其測距精度為1 mm，測程340 m，掃描速度為100萬點/s，2～3 min即可完成1個掃描測站。

內(nèi)業(yè)制圖可以使用支持點云的制圖軟件，如AutoCAD和Trimble Business Center，將基礎(chǔ)點云導(dǎo)入后，制圖流程與之前的作業(yè)方式一致；也可以直接使用專業(yè)的點云處理平臺，如Trimble RealWorks(以下簡稱TRW)進(jìn)行立面繪圖。TRW軟件集點云配準(zhǔn)、點云編輯、點云制圖、點云檢測、點云建模等功能于一身，可以實現(xiàn)將TX8獲取的點云數(shù)據(jù)從配準(zhǔn)到制圖整個流程。

1.2 方案實施

1.2.1 外業(yè)掃描

TRW軟件提供了基于平面點云的全自動配準(zhǔn)功能，外業(yè)掃描可以采用無標(biāo)靶作業(yè)方式，掃描作業(yè)時只需保證相鄰兩站之間有一定的重疊度，掃描到相同的平面特征即可，極大地提高了外業(yè)掃描效率。

為提高全自動配準(zhǔn)的成功率還需要注意以下幾點：

(1) 只有垂直面參與全自動配準(zhǔn)的初始化計算。地板、天花板、桌子等水平面在最后階段用來精化配準(zhǔn)及管理不同樓層。

(2) 小于30 cm×30 cm的平面會被忽略掉。

(3) 配準(zhǔn)兩個測站，至少需要3個公共平面。

(4) 非常對稱的地方，在場景中增加些額外的面狀對象能使成功率最大化。

(5) 掃描包含表面和紋理的平面能獲取更好的點云。如1個典型的中性色辦公室能掃描出較好平面，而玻璃結(jié)構(gòu)則無法得到。

(6) 盡量以1個較高的入射角掃描平面。

(7) 如果掃描了多個樓層，建議首先將同一樓層的測站數(shù)據(jù)放進(jìn)1個組，執(zhí)行一次全自動拼接。然后再將多個樓層的組選中，對整個項目執(zhí)行一次全自動配準(zhǔn)。

(8) 如果項目需要對室內(nèi)外進(jìn)行掃描，建議在門口的位置架站，方便后期點云處理。

1.2.2 點云配準(zhǔn)

使用TRW軟件的全自動配準(zhǔn)功能，一鍵將所有測站拼接起來。配準(zhǔn)時需要選擇1個基準(zhǔn)測站，基準(zhǔn)測站配準(zhǔn)過程中保持坐標(biāo)不變，其他測站會與基準(zhǔn)測站尋找公共部分，并通過平移旋轉(zhuǎn)拼接到正確位置，因此基準(zhǔn)站必須是水平測站。全自動配準(zhǔn)具體過程如下：

(1) 粗略配準(zhǔn)。系統(tǒng)分析每個測站中所有豎直面并進(jìn)行編號，計算出各個測站之間匹配的唯一解。

(2) 精化配準(zhǔn)。系統(tǒng)分析每個測站中的所有水平面，對配準(zhǔn)結(jié)果作進(jìn)一步優(yōu)化；然后使用迭代最近點法(ICP)使得兩個測站的點云數(shù)據(jù)擁有最大的重疊率，并使得重疊區(qū)域有最小的殘差值。

(3) 提取預(yù)覽點云，預(yù)覽點云相當(dāng)于步長為6進(jìn)行采樣。步長采樣的原理為：將當(dāng)前測站的點云數(shù)據(jù)視為一張以儀器位置點為中心的全景圖，每個三維點視為1個不會被重疊的全景像素，當(dāng)所有像素均被提取時，步長為1，當(dāng)每6個像素提取1個三維點時，步長為6。使用步長采樣可以快速獲取輕量化的稀疏點云，并保持現(xiàn)實世界的結(jié)構(gòu)特征，有利于在自動拼接結(jié)束時，快速對拼接質(zhì)量進(jìn)行檢查。

測試地點1為一條歷史建筑街面，共掃描24站，每個測站掃描2 min，外業(yè)總用時不到2 h。全自動拼接用時30 min，拼接完成后為自動顯示配準(zhǔn)報告，報告顯示點云配準(zhǔn)整體精度為4.7 mm。如圖1—圖3所示。

測試地點2為一處別墅，現(xiàn)場掃描8站，外業(yè)用時30 min，全自動拼接用時10 min，拼接精度為1.5 mm。如圖4、圖5所示。

1.2.3 點云編輯和去噪

點云配準(zhǔn)完成后，需要將點云進(jìn)行分割和去噪。TRW軟件提供基于點云幾何特征的快速自動分類，可以將點云快速分類為地面、建筑、高植被、標(biāo)桿，可以快速提取建筑點云數(shù)據(jù)，減輕傳統(tǒng)手工分割分類的工作量，大大提高了內(nèi)業(yè)處理效率。如圖6所示。

1.2.4 立面繪圖

建筑點云提取完成后，利用TRW軟件的制圖工具可以基于點云制作CAD圖形。TRW中的制圖工具可以基于三維點云繪圖或鎖定投影平面繪圖。建筑立面圖需要在不同方向進(jìn)行投影制圖，投影面的選擇結(jié)果也會影響成圖質(zhì)量。TRW制圖工具提供了多種投影面選擇方式，如在同一平面點云中均勻點選3個點確定1個投影面，或選擇出同一平面的點云用擬合方式計算出最佳的投影面。投影面確定后，直接利用線劃工具根據(jù)點云進(jìn)行矢量化即可。如圖7—圖9所示。

2 結(jié) 語

利用三維激光掃描技術(shù)獲取建筑物完整點云，能夠保證立面測量的繪圖質(zhì)量，一套數(shù)據(jù)即可滿足繪圖、調(diào)繪、質(zhì)檢等多種用途。天寶TX8激光掃描儀在2 min內(nèi)即可獲取整個全景視野中的三維信息，同時結(jié)合Trimble RealWorks等點云處理軟件，可以根據(jù)建筑立面點云高效制作建筑立面圖。精確詳細(xì)的立面圖能夠為建筑物的治理、修繕及美化等提供數(shù)據(jù)支持，尤其是在城市建設(shè)和歷史建筑保護(hù)項目中作用更加明顯。綜上，筆者認(rèn)為基于三維激光掃描技術(shù)的建筑立面測圖方案值得在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。