林 斌，陳國忠，林佳黎

（1.福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350011；2.福建山水測繪地理信息有限公司，福建 福州 350011）

建筑立面測繪對(duì)當(dāng)前城市建筑修繕與改造具有直接影響，能夠?yàn)槠涮峁┚容^高的測繪數(shù)據(jù)，幫助繪制建筑物圖件。當(dāng)前，建筑立面測繪方法種類較多，例如建筑立面全站儀測量、建筑立面近景攝影測量、三維激光掃描等。其中，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用范圍較為廣泛，測繪精度較高，能夠精確地反映建筑立面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)[1]。三維激光掃描系統(tǒng)由激光掃描設(shè)備以及相應(yīng)的配套軟件共同構(gòu)成，通過激光發(fā)射器實(shí)時(shí)發(fā)出脈沖激光信號(hào)，經(jīng)過投射、漫反射與掃描，得到建筑立面測繪數(shù)據(jù)及建筑立面特征?，F(xiàn)階段，三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中仍然存在一些缺陷，無法為建筑修繕與改造提供精度較高的測繪數(shù)據(jù)。基于此，本文以R 老舊小區(qū)改造建筑立面測繪工程項(xiàng)目為例，深入開展了三維激光掃描技術(shù)在測繪中的應(yīng)用探究。

1 設(shè)計(jì)三維激光掃描系統(tǒng)

在建筑立面測繪中，三維激光掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)得是否合理至關(guān)重要，直接影響了建筑立面測繪結(jié)果的精度[2]?；诖耍疚脑谌S激光掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選取與較傳統(tǒng)掃描系統(tǒng)相比，精度與性能更高的設(shè)備，提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量與效率，為系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障[3]。三維激光掃描系統(tǒng)使用設(shè)備優(yōu)化選型如下：掃描儀，W1200 Pro；控制器，LMK-5104RL3A；激光發(fā)射接收裝置；CCD 相機(jī)，OSTTZ200H2；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，Windows7?；诩す鉁y距原理，設(shè)置建筑立面目標(biāo)物上某點(diǎn)P，建立建筑立面空間點(diǎn)的三維幾何關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 建筑立面空間點(diǎn)三維幾何關(guān)系示意圖

圖1 中，表示三維激光掃描系統(tǒng)中激光發(fā)射器到建筑立面目標(biāo)物上任意點(diǎn)P 與掃描儀之間的距離；表示三維激光掃描系統(tǒng)控制編碼器同步測量激光脈沖橫向掃描角度；表示三維激光掃描系統(tǒng)控制編碼器同步測量激光脈沖縱向掃描角度。根據(jù)掃描儀三維坐標(biāo)計(jì)算原理，計(jì)算建筑立面目標(biāo)物上點(diǎn)P的三維坐標(biāo)，公式為

根據(jù)建筑立面目標(biāo)物上點(diǎn)P 的三維坐標(biāo)，得出建筑立面三維激光的反射強(qiáng)度，結(jié)合CCD 相機(jī)，獲取被測建筑立面的RGB 信息。三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)測距原理不同，其采用的三維激光掃描技術(shù)也存在較大差異[4]。本文在綜合考慮建筑立面測繪需求與測繪特征后，選擇應(yīng)用范圍較廣泛、適用性較強(qiáng)的激光三角測距法。該方法主要利用三角形幾何關(guān)系，求解被測建筑立面與激光發(fā)射裝置之間的距離。三維激光掃描系統(tǒng)的激光三角測距法原理如圖2 所示。

圖2 激光三角測距法原理圖

利用圖2 所示的激光三角測距法，獲取被測繪建筑立面掃描對(duì)象的全部信息數(shù)據(jù)。通過激光發(fā)射器，得到發(fā)射激光的入射光角度與回波信號(hào)之間的反射光角度，進(jìn)而獲取建筑立面局部觀測數(shù)據(jù)與三維空間信息[5]。此種測距法掃描距離較長，測距范圍廣泛，更加適用于建筑測繪工程項(xiàng)目。

2 建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

完成上述設(shè)計(jì)后，接下來進(jìn)行建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，為后續(xù)立面測繪提供數(shù)據(jù)支撐。傳統(tǒng)的測繪方法在建筑立面外業(yè)數(shù)據(jù)采集中，受到建筑工程所在區(qū)域地形、測繪設(shè)站位置以及立面目標(biāo)物體等各項(xiàng)因素的影響，其點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較低[6]。在綜合考慮傳統(tǒng)建筑立面外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法存在的缺陷后，本文采用將三維激光掃描與二維激光雷達(dá)掃描相結(jié)合的方法，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)反饋建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)深與角度，三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)點(diǎn)深與角度，有針對(duì)性地采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，可移植性較強(qiáng)。通過旋轉(zhuǎn)云臺(tái)位置，全面覆蓋建筑工程所在區(qū)域，使采集的建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋全面。本文設(shè)計(jì)的建筑立面外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集流程如圖3 所示。

圖3 建筑立面外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集流程

首先，測制建筑立面圖紙，建立建筑立面三維實(shí)景模型，確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的技術(shù)路線；然后，根據(jù)技術(shù)路線，在合適的數(shù)據(jù)采集位置布設(shè)測站，架設(shè)全站儀；最后，基于二維激光雷達(dá)的建筑點(diǎn)深與角度反饋?zhàn)饔茫@取建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化，不斷旋轉(zhuǎn)云臺(tái)位置。使用上述設(shè)計(jì)的三維激光掃描系統(tǒng)，全方位采集建筑立面外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)[7]。將采集到的建筑立面每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到上述構(gòu)建的建筑立面空間點(diǎn)三維幾何空間坐標(biāo)系中，進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)操作。根據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果，粘貼建筑立面測繪標(biāo)靶紙[8]。在標(biāo)靶紙粘貼前，對(duì)靶標(biāo)球心位置、半徑與離散點(diǎn)之間的關(guān)系作出分析，設(shè)定靶標(biāo)球心三維空間坐標(biāo)為，靶標(biāo)掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)為，其關(guān)系表達(dá)式為

式中：r 表示標(biāo)靶半徑。對(duì)標(biāo)靶紙粘貼參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合處理，減小誤差。利用HD Scene 點(diǎn)云處理軟件，加載建筑立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于標(biāo)記特征點(diǎn)功能，分別求取靶標(biāo)的三維水平角與三維豎直角，公式為

式中：φ、α 分別表示靶標(biāo)的三維水平角與三維豎直角。在此基礎(chǔ)上，粘貼標(biāo)靶紙。標(biāo)靶紙粘貼位置的精確度直接影響了建筑立面內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，采用高低遠(yuǎn)近錯(cuò)落的粘貼方式，將其牢固粘貼在立面上，避免后續(xù)測繪作業(yè)中標(biāo)靶紙發(fā)生滑動(dòng)脫落。另外，設(shè)置三維激光掃描參數(shù)，包括激光點(diǎn)頻率、點(diǎn)云數(shù)據(jù)激光掃描范圍以及掃描分辨率。在此基礎(chǔ)上，對(duì)建筑立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括點(diǎn)云著色、配準(zhǔn)、降噪、分割、精簡、漏洞修補(bǔ)、紋理映射等預(yù)處理方法，其中，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)為主。將采集到的站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到坐標(biāo)系中，找出相鄰測站中點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過平移旋轉(zhuǎn)的位置變換方式，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)位置完全重合。通過三維激光掃描系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別功能，命名相同點(diǎn)云位置的元素，求出同名點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)位置變換關(guān)系，拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，全面提高建筑立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑立面特征

獲取建筑立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑立面特征，達(dá)到建筑立面高精度測繪的目的。將上述預(yù)處理完畢的建筑立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件中，將三維激光點(diǎn)云視圖方向設(shè)定為建筑立面正射投影方向。結(jié)合建筑立面測繪圖紙，描繪點(diǎn)云立面圖，基于橫平豎直的連線方式，在點(diǎn)云立面圖上連接各個(gè)測繪要素，使用輔助線，提高點(diǎn)云立面圖各線條的整體性，規(guī)避建筑立面點(diǎn)云邊緣不規(guī)則干擾的問題。

選取能夠準(zhǔn)確描述建筑立面目標(biāo)物體特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)，將其設(shè)置為建筑立面測繪細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。連接能夠描述建筑立面輪廓的特征點(diǎn)，形成立面細(xì)節(jié)特征線，反映建筑立面測繪目標(biāo)形狀與輪廓?；谌S激光點(diǎn)云模型的平面投影功能，將點(diǎn)云分割出建筑立面，導(dǎo)入上述平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)至AutoCAD 中，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑立面特征。

在建筑立面中，大多數(shù)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)均屬于對(duì)稱布局結(jié)構(gòu)。利用CAD 軟件，勾繪立面測繪標(biāo)準(zhǔn)圖件，將其復(fù)制到其他對(duì)稱布局位置，既能夠減少測繪誤差，又能夠有效地縮短測繪時(shí)間，提高測繪效率。在此基礎(chǔ)上，利用三維激光掃描技術(shù)中的相位法，進(jìn)行建筑立面測距作業(yè)。首先，基于三維激光無線電波段頻率，不斷調(diào)制激光束幅度；然后，測定三維調(diào)制激光信號(hào)在建筑立面被測距離上來回傳播所產(chǎn)生的相位差，測定來回時(shí)間；最后，計(jì)算建筑立面被測距離，公式為

式中：H 表示建筑立面被測距離；Δφ 表示三維調(diào)制激光信號(hào)來回傳播產(chǎn)生的相位差；f 表示三維激光脈沖頻率。通過計(jì)算，得出被測建筑立面的距離，實(shí)現(xiàn)建筑工程中立面測繪高精度的目標(biāo)。

4 對(duì)比分析

為了檢驗(yàn)上述測繪方法在工程建設(shè)中的有效性與可行性，選取某地區(qū)R 老舊小區(qū)改造建筑立面測繪工程項(xiàng)目作為此次研究依托，進(jìn)行了如下文所示的應(yīng)用對(duì)比分析，確認(rèn)其可行性后方可投入使用。

R 老舊小區(qū)改造建筑立面測繪工程項(xiàng)目中，建筑樓體陳舊，樓間距較小，建筑樓群較為密集，建筑立面附屬物分布復(fù)雜。在建筑立面測繪中，需要分別從東南西北4 個(gè)方向，進(jìn)行多維度測繪。此次研究中，采用FARO 350 三維激光掃描儀進(jìn)行測繪數(shù)據(jù)采集，掃描儀性能參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 三維激光掃描儀性能參數(shù)設(shè)置

此次應(yīng)用分析中，選取三維激光掃描儀的性能參數(shù)，嚴(yán)格按照該參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。固定點(diǎn)位，架設(shè)三維激光掃描儀，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)重整平處理，結(jié)合徠卡全站儀作用，重復(fù)測量建筑立面目標(biāo)物，掃描靶球，不斷調(diào)節(jié)掃描水平與垂直角度。三維激光掃描系統(tǒng)的軟件均采用FARO Scene 軟件，對(duì)R 老舊小區(qū)改造建筑立面測繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)與拼接處理。按照上述本文設(shè)計(jì)的測繪流程，對(duì)R 老舊小區(qū)建筑立面進(jìn)行全面測繪。在R 老舊小區(qū)建筑立面上隨機(jī)布設(shè)6 組測繪點(diǎn)位，標(biāo)號(hào)為01—06，控制各組點(diǎn)位之間的距離在20 m 及以上，點(diǎn)位01—06 的掃描距離逐漸變長。選取建筑立面測繪點(diǎn)位的測距誤差作為此次對(duì)比分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)。分別利用上述本文提出的測繪方法與傳統(tǒng)的測繪方法，獲取各組點(diǎn)位的三維測距誤差，并對(duì)比，繪制如圖4 所示的測繪點(diǎn)位三維測距誤差對(duì)比圖。

圖4 建筑測繪點(diǎn)位三維測距誤差對(duì)比

根據(jù)圖4 的測距誤差對(duì)比結(jié)果可以看出，在建筑立面測繪點(diǎn)位掃描距離逐漸變長的情況下，本文設(shè)計(jì)的建筑立面測繪方法在各組建筑立面測繪點(diǎn)位三維測距中，測距誤差明顯小于傳統(tǒng)方法，均不超過1.0 mm；而傳統(tǒng)方法的測距誤差較大，且隨著點(diǎn)位掃描距離增加，其測距誤差也隨之變大。由此不難看出，本文提出的基于三維激光掃描技術(shù)的測繪方法具有更高的可行性，測距誤差較小，測繪結(jié)果精度較高，滿足相應(yīng)的老舊小區(qū)改造建筑立面測繪工程的精度要求，具有良好的測繪應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

建筑立面測繪能夠?yàn)槔吓f小區(qū)修繕改造提供有力的數(shù)據(jù)支持，在建筑行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展中起到了重要作用。通過圖4 的對(duì)比結(jié)果可知，本文提出的建筑立面測繪方法誤差較小，建筑測繪點(diǎn)位三維測距誤差均不超過1.0 mm，測繪結(jié)果精度較高，符合建筑立面測繪精度的超高要求，有效地改善了傳統(tǒng)建筑立面測繪方法精度較低、測繪點(diǎn)位測距誤差較大的不足。