魏進京

（廈門市集美區(qū)測繪地理信息中心 福建廈門361024）

1 引言

在科技與經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，許多新興技術(shù)異軍突起。與三維技術(shù)有關(guān)的包括有3D 打印技術(shù)、VR 實景技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)，其中三維激光掃描與測繪行業(yè)息息相關(guān)。三維激光掃描在節(jié)省人力物力和時間的情況下，能夠準確的掃描出所測量物體的點云圖，并通過測量點與點之間的距離，來完成測繪的目的以及其他的任務。三維激光掃描技術(shù)的應用十分廣泛，這項技術(shù)是正向建模的對稱應用，也稱為逆向建模技術(shù)[1-2]。

點云是逆向建模技術(shù)所得到的數(shù)據(jù)集合，顧名思義，是數(shù)量比較多的點的集合。這些點通常以坐標的形式表示，表示一個物體的外表面形狀，也可以表示點的顏色、灰度值等等，它是由3D 掃描設備產(chǎn)生的[3-4]。

隨著三維空間數(shù)據(jù)獲取能力的提高和人們對三維空間信息需求的提升，城市地區(qū)的三維重建成為研究及應用的熱點[5]。一方面，建筑物立面包含豐富和直觀的細節(jié)信息，是建筑物三維建模不可或缺的組成部分[6]；另一方面，隨著人們的生活水平不斷提高，無論是什么事情，都要求的比較高，越來越追求品質(zhì)與效果，在購買房屋時，對外立面也有一定的要求。

三維激光掃描技術(shù)是非接觸測量，能夠快速、輕松、精確獲取復雜物體和建筑物的測量結(jié)果，測量速度快、精度高，其結(jié)果能直接運用于多種軟件，這使它在計算機輔助技術(shù)日益廣泛的今天很受歡迎。本文以某校區(qū)建筑物外立面為研究對象，利用三維激光掃描儀獲取建筑物外立面點云數(shù)據(jù)，基于高精度的點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)進行拼接、去噪等處理，精確繪制二維線劃圖，輸出CAD 立面圖形文件[7]。

2 點云數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀，在部分地區(qū)有人叫“抄數(shù)機”，從字面意思簡單理解就是抄下數(shù)據(jù)，主要用于采集被測物體的空間三維數(shù)據(jù)，并用于各種逆向工程。近年來，三維激光掃描技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展并日漸成熟，三維掃描設備也越來越多應用于不同的領(lǐng)域，雖然掃描儀種類繁多，但其功能是相似的[8]。三維激光掃描儀不同于全站儀等測繪儀器系統(tǒng)，全站儀是單點測繪，獲取的是單點坐標數(shù)據(jù)，目鏡對準被測物體，激光發(fā)射出去一次測量一次數(shù)據(jù)[9]；三維激光掃描儀是多點測繪，獲取的是海量的點云數(shù)據(jù)，是在所設置的測量范圍內(nèi)，激光不停的測量，獲取被測物體與掃描儀本身的空間關(guān)系，自動化程度較高[10]。三維激光掃描儀主要由激光測距儀、反射棱鏡、內(nèi)置數(shù)碼相機、電源供應系統(tǒng)等組成[11-12]。

2.2 三維激光掃描技術(shù)基本原理

三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，實現(xiàn)非接觸的激光測距、測角等。通過發(fā)射激光不斷測量，獲得被測物體至掃描儀之間的距離、水平角、垂直角等信息，然后通過計算機計算得出被測物體的三維坐標信息，掃描過程中，利用自身水平和垂直馬達等裝置可連續(xù)地對空間被測物體按設定的取樣密度進行上下左右前后全方位的掃描測量，得到被測物體的三維空間數(shù)據(jù)—點云[13-15]。

2.3 軟件準備

（1）SCENE 軟件：SCENE 軟件是FARO 掃描儀專用的一款三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件可以很好的對FARO 掃描儀獲取的三維場景進行處理、簡化、拼接等操作，是較為直觀有效的掃描數(shù)據(jù)處理和配準軟件，只要將數(shù)據(jù)導入軟件，用戶可通過執(zhí)行簡單的測量操作即可進行自動處理。

（2）AutoCAD：CAD 是一種輔助繪圖與設計的軟件，用于二維繪圖、設計圖案等，經(jīng)過不斷的完善，已成為目前較為流行的繪圖軟件，可配合CASS 軟件進行測繪的數(shù)字化成圖，其將向智能化、多元化方向發(fā)展。

2.4 作業(yè)流程

三維激光掃描作業(yè)的主要流程如圖1 所示，具體可以分為三部分：

1）實地踏勘，根據(jù)掃描對象確定掃描的范圍、路線及儀器架設位置，確定合理的掃描距離、采樣密度等相關(guān)參數(shù)設置，設計掃描方案；

2）數(shù)據(jù)獲取，在擬定的路線上架設掃描儀，安置靶球，通過掃描測量獲取被測物體的點云數(shù)據(jù)，并將其導入計算機；

3）數(shù)據(jù)處理，包括點云數(shù)據(jù)的拼接和去除噪點等操作，繪制建筑物外立面二維線劃圖。

圖1 作業(yè)流程圖

2.4.1 實地踏勘

為了對實際的工作有更進一步的了解，同時為制定合理的測量方案，必須對被測建筑的周邊環(huán)境進行現(xiàn)場踏勘，在踏勘過程中要注意查看已有點的位置、保存情況、可使用的可能性等，盡可能采用保存完好且精度符合要求的已有點；根據(jù)建筑物的高度、方位等特征初步擬定測量路線及儀器架設的位置，確定合理的測量距離、采樣密度等，最大程度上保證被測建筑不被遮擋。此外，還要考慮到天氣惡劣增加噪點的情況及所剩電量的使用時間[10]；選點完成后，可通過繪制草圖、拍照等多種方式制作點之記，以做記錄方便后續(xù)測量工作的進行和測量方案的設計（包括測量路線、測量天數(shù)及各測站的時間安排和人員分工等），還可用于工程匯報的撰寫。

2.4.2 數(shù)據(jù)獲取

實地踏勘準備完成后，即可根據(jù)擬定的方案展開測量工作。首先我們需準備好外業(yè)所需的儀器，檢查其電源、存儲空間等，確認完成后再進行外業(yè)，以免返工。在所擬定的路線上架設好儀器，在參數(shù)設置選擇合理的測量距離、采樣密度、時間等，即可開始掃描，對被測物體進行掃描時，兩兩測站之間掃描范圍要保證有一定的重疊度，這樣有利于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的拼接操作；測站之間要保持最優(yōu)的距離，在保證作業(yè)精度的同時使工作量降到最小，測站至被測物體的距離也要保持同樣的原則；盡可能保證掃描時被測物體不被遮擋，也要保證測站所掃描區(qū)域能夠覆蓋被測物體。多站點之間掃描的點云數(shù)據(jù)在處理時要進行拼接操作，這要求兩測站掃描范圍要有一定重疊以尋求公共的同名點，所以需要在測區(qū)內(nèi)安置靶球，通過各站點掃描的數(shù)據(jù)自動求出圓心點，可以快速進行拼接操作。外業(yè)人員還需繪制現(xiàn)場的草圖，并多角度對被測物體進行拍照記錄，一來是為了記錄外業(yè)過程中所選的測量方位，二來是為后續(xù)的內(nèi)業(yè)繪圖工作提供參考。掃描完成后，將生成的數(shù)據(jù)導入計算機中配合相應軟件進行數(shù)據(jù)的處理。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理

（1）首先進行數(shù)據(jù)檢查：新建工程，將掃描的數(shù)據(jù)導入SCENE 軟件，在工作區(qū)一次性加載全部的數(shù)據(jù)，打開其平面視圖觀察數(shù)據(jù)是否完整，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整，則需要對不完整區(qū)域再次進行掃描。

（2）然后進行拼接和去除噪點操作：打開三維視圖，可以觀察到由無數(shù)點云構(gòu)成的立體圖像，在平面視圖下利用“標記球體”工具標記兩幅數(shù)據(jù)中的公共靶球并精確測得其坐標，通過對不同角度測得的點云數(shù)據(jù)重疊部分的信息進行拼接，得到完整的3D 數(shù)據(jù)圖，如圖2 所示，此操作的意義在于可以從整體上全面顯示處各個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有相同的拓撲結(jié)構(gòu)；由于測站的位置一般位于被測物體的前方以便于全面掃描，但掃描得到的建筑點云數(shù)據(jù)中包含有大量的噪聲點，如樹木、行人、車輛等，我們需要根據(jù)實際進行刪除噪點的操作，即去除不需要的點云數(shù)據(jù)。

圖2 點云數(shù)據(jù)拼接完成

（3）最后繪制外立面：將處理完成的點云數(shù)據(jù)導出到XYZ 格式，以便于在CAD 中進行立面圖的繪制。由于CAD 不能直接讀取XYZ 格式文件，需要先轉(zhuǎn)換為CAD 所支持的PCG 文件。利用“創(chuàng)建點云”的功能，添加SCENE 軟件導出的XYZ 格式文件，即可得到Autodesk 文件，進行此操作后需要重啟CAD軟件，以保證數(shù)據(jù)可以有效使用；再次打開CAD 后，進行“附著點云”操作，即可將點云數(shù)據(jù)顯示在CAD中，如圖3 所示。

建筑外立面繪圖不僅需要我們對圖片的細心觀察，還需要將圖片和點云結(jié)合起來，進行繪圖，通過點云分布情況和圖片確定其表示的物體，圖片上的細節(jié)也需要盡可能的還原到CAD 成圖上，這就需要繪圖人員要十分的細心并且細心地進行繪制。具體操作如下：

圖3 點云數(shù)據(jù)在CAD 中顯示

1）將坐標軸移動至點云上，打開對象捕捉中的節(jié)點捕捉，將坐標軸旋轉(zhuǎn)至與點云平行。并調(diào)整其方向，進行繪圖。

2）首先繪制墻體，利用CAD 的基本繪圖操作，勾畫出建筑尺寸，接著按照“從下到上”、“從左到右”、“從簡到難”的原則逐層勾繪。

3）根據(jù)門窗等在外立面圖上的位置，結(jié)合外業(yè)實際拍攝照片，繪制圖形細節(jié)部分，對外立面瓷磚等部分進行圖案填充，根據(jù)外業(yè)照片不斷進行完善并標注，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 外立面繪制成果圖

3 精度評定

在建筑物里面測量方面，邊長精度決定著最終立面圖的精度，所以進行邊長定位精度評價。

在三維激光掃描精度的評價中，采用的是邊長對比分析方案，即將在點云數(shù)據(jù)中量取的特征邊的長度和采用2″級全站儀測量出的特征邊的長度做對比分析。該方法可以成為三維激光掃描儀邊長定位外部精度符合評價方案。采用該方案進行試驗，得出三維激光掃描儀和高精度傳統(tǒng)測量儀器之間的精度對比，從而可以得出三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)的精度水平，結(jié)果直觀可信。

采用2″級全站儀和FARO 三維激光掃描儀對同樣的10 條邊進行長度觀測，每條邊觀測6 次，得出數(shù)據(jù)如表1、表2，數(shù)據(jù)對比如表3。

表1 三維激光掃描儀測量邊長

表2 全站儀測量邊長

表3 全站儀和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)對比

由表3 對比結(jié)果可知三維激光掃描儀測量數(shù)據(jù)與全站儀測量的數(shù)據(jù)較為接近，尤其是1、7、8、10 號線差值均達到毫米級，由此可得出結(jié)論，三維激光掃描儀測量精度完全可以達到測量建筑物立面圖的測圖精度，而且大大提高了數(shù)據(jù)采集的工作效率，節(jié)約了大量人力物力。

4 結(jié)束語

本文通過某校園建筑實例對三維激光掃描的作業(yè)流程和建筑物外立面的繪制作了詳細的描述，并對所繪制的立面圖進行精度評價分析，實驗結(jié)果證明與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，使用三維激光掃描進行建筑物外立面測量與制圖制圖能夠提高設計自動化程度，在保證高精度設計的同時，縮短了數(shù)據(jù)獲取時間，大幅度提高了工作效率。三維激光掃描技術(shù)是測繪界的一項技術(shù)革新，具有超強的三維建模和虛擬重現(xiàn)的功能，適用于多種逆向工程，該技術(shù)在未來的應用中會更加趨向自動化、智能化，會有更大更好的發(fā)展空間。