萬建鵬，葉素倩，陳 敏

(1. 廣東省核工業(yè)地質(zhì)局測繪院，510800，廣州；2. 廣州開發(fā)區(qū)土地開發(fā)儲備交易中心，510700，廣州)

0 引言

建筑立面圖[1-2]是建筑物在與其立面平行的投影面上所得的正投影圖，精確繪制的立面圖可以清晰地反映建筑物的外部特征，是城市市容規(guī)劃改造、古建筑外部裝修重建等工程中施工設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)。傳統(tǒng)測量方法[3-4]一般通過全站儀極坐標(biāo)單點測量的方式，對建筑物各個立面的特征點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，局部區(qū)域還需借助皮尺、測距儀等工具進(jìn)行人工測量，存在耗時長、費用高、效率低、精度無法保證等缺點，給立面測繪增加了很大難度。無人機航測[5]雖然能快速獲取建筑物三維信息，但在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)精度上都存在相關(guān)問題，且精度難以保證。三維激光掃描技術(shù)是通過激光掃描獲取大面積點云數(shù)據(jù)的測繪技術(shù)，又稱為高清晰測量技術(shù)，經(jīng)過近年技術(shù)的高速發(fā)展，在變形監(jiān)測[6]、建筑工程[7]、文物保護(hù)[8]等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛。三維激光掃描儀通過激光脈沖發(fā)射高密度、帶有反射率信息的海量點云，在不接觸被測目標(biāo)情況下，實現(xiàn)了三維點云數(shù)據(jù)的快速采集，在內(nèi)業(yè)處理中通過軟件可在點云中快速提取目標(biāo)的線、面、體等空間結(jié)構(gòu)信息，重構(gòu)出實體目標(biāo)的真彩色的三維模型。基于三維點云數(shù)據(jù)的建筑物信息提取方法克服了傳統(tǒng)立面測繪方式的缺點，能在復(fù)雜空間中對各類規(guī)則與不規(guī)則的建筑實體進(jìn)行快速作業(yè)，具有時間短、數(shù)字化、精度高、智能化等的突出優(yōu)點，更快、更便捷地獲取建筑物立面的制圖數(shù)據(jù)，為城市規(guī)劃、建筑物保護(hù)等后續(xù)實施工作提供基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 工作原理

目前市場上三維激光掃描儀的產(chǎn)品種類較多，在工程應(yīng)用中各具特點，本文基于FARO Focus儀器展開研究。FARO Focus系列三維激光掃描儀是美國FARO公司近年來研發(fā)的新型儀器，其測量原理是通過激光束發(fā)射傳遞到鏡頭中央，通過鏡頭的高速旋轉(zhuǎn)將激光發(fā)散到目標(biāo)物體，接觸物體后及時將激光位移數(shù)據(jù)反饋回掃描儀，得出激光和物體之間的距離，再利用調(diào)制技術(shù)和角度編碼器測量鏡頭和掃描儀兩者旋轉(zhuǎn)的角度，獲得各激光點的三維坐標(biāo)。Focus系列掃描儀的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Focus系列掃描儀的技術(shù)參數(shù)

1.2 技術(shù)路線

采用FARO三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物立面測繪技術(shù)路線如圖1所示，其主要分為測量前資料的收集與技術(shù)方案編寫、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理、立面圖繪制以及精度評定等。

1.3 三維數(shù)據(jù)采集

作業(yè)前應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行檢驗，儀器部件是否齊全，運轉(zhuǎn)是否正常，電池容量、內(nèi)存容量是否充足，當(dāng)環(huán)境條件較為惡劣時，要提前對儀器進(jìn)行預(yù)熱，避免逆光拍攝。作業(yè)時，掃描應(yīng)均勻布設(shè)，設(shè)置在視野開闊、穩(wěn)定的安全區(qū)域，合理的測站可減少數(shù)據(jù)的冗余，利于后期數(shù)據(jù)處理，開始作業(yè)時要根據(jù)站點到目標(biāo)的距離，精度要求設(shè)置好掃描儀的掃

圖1 技術(shù)流程圖

描范圍、采集分辨率才開始掃描，每站間的點云重疊率≥20%，區(qū)域分塊掃描時，相鄰點云數(shù)據(jù)的重疊度≥10%。標(biāo)靶布設(shè)是確保多站數(shù)據(jù)完整拼接的基礎(chǔ)，在每站掃描儀的有效視場內(nèi)標(biāo)靶布設(shè)要合理，避免盲區(qū)的建立，盲區(qū)會加大后期建模難度，其精度也會下降，要減少重復(fù)掃描區(qū)域，重復(fù)區(qū)域過多，既增加掃描工作量，又增加后期點云處理以及建模的工作量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括點云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、降噪抽稀、數(shù)據(jù)裁剪等工作。

1.4.1 點云拼接 由于測區(qū)范圍過大，只在一個測站無法獲取研究對象全部點云數(shù)據(jù)，需要將不同測站的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，每站采用3個同名點進(jìn)行點云拼接，一般以作業(yè)時布設(shè)的靶球為同名點。

1.4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 通過測得的標(biāo)靶的三維坐標(biāo)值，采用七參數(shù)法將FARO三維激光掃描儀掃描得到的點云網(wǎng)格中的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際控制測量系統(tǒng)的三維坐標(biāo)。

1.4.3 降噪抽稀 作業(yè)時由于存在環(huán)境因素的干擾，使獲取的點云數(shù)據(jù)中存在異常，可采用軟件自帶的濾波算法或人眼識別手動進(jìn)行點云數(shù)據(jù)降噪處理；點云數(shù)據(jù)冗余既增加了軟件展現(xiàn)負(fù)擔(dān)，又對目標(biāo)特征的提取沒有太大幫助，可對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，但應(yīng)以滿足制圖要求為原則，根據(jù)局部特征可采取均勻抽稀或保留特征進(jìn)行抽稀。

1.4.4 數(shù)據(jù)裁剪 在軟件中可將目標(biāo)范圍內(nèi)點云數(shù)據(jù)識別出來，確定邊界范圍后，運用軟件裁剪功能將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，或根據(jù)對建筑物不同立面測繪的需求，運用軟件的分割功能，將點云進(jìn)行分割，得到可制圖的點云數(shù)據(jù)。

1.5 成果輸出

得到可以進(jìn)行制圖的點云數(shù)據(jù)后，一般可將點云數(shù)據(jù)運用相關(guān)插件直接插入到AutoCAD中，運用其強大的繪圖功能，根據(jù)GB/T 50104—2010[9]建筑制圖標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，對建筑立面圖的繪制進(jìn)行立面圖形的繪制。根據(jù)項目要求，對建筑物的外部特征進(jìn)行重點或側(cè)重點描繪，繪出整體輪廓。再對成果進(jìn)行精度評定。

2 工程實例

本文以廣東某地古村落建筑的保護(hù)項目為例，該村屬于民間文化遺產(chǎn)重點搶救對象，經(jīng)過現(xiàn)場探勘和研究，建筑的年代較為久遠(yuǎn)，墻體結(jié)構(gòu)較為脆弱，采用常規(guī)測量該項目無法達(dá)到業(yè)主方的時間和精度需求，故采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行立面測量。目標(biāo)建筑的現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 目標(biāo)建筑的局部圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

在現(xiàn)場踏勘得出，本次項目的古建筑群邊臨灌溉渠，只能在渠道對岸利用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但采集范圍不大，主要進(jìn)行繪制街道一側(cè)建筑群的立面圖。項目采用 FARO350地面站式三維激光掃描儀，掃描點云間隔為2 mm，站點間距控制在5～10 m，建筑物間外部細(xì)節(jié)較為相似，兩站之間保持30%以上的重疊度，使每個站點都能掃描到現(xiàn)場設(shè)定的靶球。由于掃描儀掃描距離較遠(yuǎn)，根據(jù)現(xiàn)場地勢特征，前半部分在對岸高樓通視處布設(shè)多個掃描站，后半部分在對岸的地面合適處布設(shè)掃描站點。數(shù)據(jù)采集完畢后，將內(nèi)存卡中數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FARO配套軟件SCENE中，部分站點的測站點云如圖3所示。

在SCENE中進(jìn)行多站點云數(shù)據(jù)的拼接，軟件可自動識別靶球位置進(jìn)行點云拼接，識別出錯也可手動標(biāo)定靶球位置進(jìn)行點云拼接。根據(jù)建筑物周邊的測量控制點，采用全站儀測定起始站或中

圖3 部分站點的測站點云

間3個同名靶球的坐標(biāo)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后將控制測量坐標(biāo)系引入到三維點云中，從而將多站點云數(shù)據(jù)整合配準(zhǔn)到同一個坐標(biāo)系中，方便在軟件中實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的自動精確配準(zhǔn), 配準(zhǔn)過程中控制站間誤差在2 mm以內(nèi)，滿足立面線畫圖的要求。經(jīng)過處理得到拼接后的建筑物群實景點云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 測站點云拼接成果俯視圖

配準(zhǔn)拼接后得到的點云成果還需要進(jìn)一步處理，根據(jù)工程的精度要求，對拼接的原始點云進(jìn)行抽稀，減輕存儲和數(shù)據(jù)處理的壓力，再對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，去噪可在SCENE軟件中使用其自帶的數(shù)據(jù)平滑功能進(jìn)行降噪，或結(jié)合肉眼識別，使用軟件中的框選工具等方法手動剔除非目標(biāo)信息，再對整體的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到目標(biāo)區(qū)域的完整點云數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 目標(biāo)區(qū)域的點云數(shù)據(jù)

2.2 立面圖繪制

立面圖能具體體現(xiàn)出建筑物基本形狀和特征的輪廓構(gòu)成。將三維點云進(jìn)行處理完成后，將特征點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出至AutoCAD中，結(jié)合正射影像圖、點云數(shù)據(jù)的建筑物輪廓線、特征點、線、面等繪制建筑物的立面線畫圖，實際繪制時，參考實地踏勘拍攝的特征照片進(jìn)行驗證校對，以確保建筑物立面信息的正確性，繪制的建筑立面細(xì)節(jié)如圖6所示。

圖6 建筑物立面細(xì)節(jié)

3 測量精度分析

FARO FUCUS系列三維激光掃描儀測距、測角的標(biāo)稱精度較高，但在實際掃描作業(yè)過程中，受到環(huán)境影響，其測量精度會受不同程度的影響，為驗證本次數(shù)據(jù)采集的精度，選取多站中的9個靶球位置作為校驗點，其中靶球位置坐標(biāo)用全站儀測出，高程用GPS的RTK測量模式測取，將實測的三維坐標(biāo)(x,y,H)與點云數(shù)據(jù)中各站標(biāo)靶位置進(jìn)行對比，各個檢測點平面與高程誤差統(tǒng)計表如表2所示。

根據(jù)各項的誤差△e，用公式(1)可得到平面中誤差與高程中誤差。

(1)

可得σx=0.025 m，σy=0.026 m，σH=0.019 m，σs=0.037 m，結(jié)果滿足《GB 50026―2016工程

表2 平面誤差與高程誤差統(tǒng)計表/m

測量規(guī)范》中對建筑立面圖平面和高程中誤差的限差要求，表明本次三維激光掃描數(shù)據(jù)采集的成果其精度滿足要求。在AutoCAD中進(jìn)行建筑物立面圖測繪，其基礎(chǔ)就是符合精度要求的點云數(shù)據(jù)，當(dāng)外業(yè)采集的點云數(shù)據(jù)符合精度要求后，為更好地驗證立面尺寸信息的準(zhǔn)確性，可通過提取立面圖中特征線的長度與實地激光測量的長度進(jìn)行對比，來驗證繪制的立面圖的誤差大小是否滿足精度要求。統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 立面圖特征相對誤差統(tǒng)計表/mm

由誤差統(tǒng)計可知，其均誤差為8.46，即其邊長間距精度為 8.46 mm，按照國標(biāo)規(guī)范要求，非常滿足古建筑物保護(hù)立面測繪要求的，同時由誤差統(tǒng)計表明，誤差不隨邊長尺寸的積累而疊加，因為立面線畫圖精度是以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，不同區(qū)域點云質(zhì)量會影響立面圖的精度。

4 技術(shù)總結(jié)

本文探討FARO三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測繪中的應(yīng)用，闡述了外業(yè)作業(yè)流程以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理步驟，通過廣東省某古建筑保護(hù)工程的實踐為例，對三維激光掃描在建筑物立面測量中的應(yīng)用展開了實例說明，對外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了總結(jié)，對測量成果的精度進(jìn)行了驗證，表明三維激光掃描儀在建筑物立面測繪中能發(fā)揮高效率、高精度、更智能、更便捷的特點，很好地滿足項目的需求。通過項目的具體實踐，進(jìn)一步掌握了三維激光掃描技術(shù)在建筑工程行業(yè)中的應(yīng)用，為工程上相關(guān)從業(yè)者提供參考范例，同時為將FARO三維激光掃描儀拓展到相關(guān)工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。對類似項目有借鑒意義。