畢淑娟

（滄州市不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪有限公司，河北 滄州 061000）

1 三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測(cè)繪中的應(yīng)用

1.1 三維激光掃描立面測(cè)圖方案

在野外作業(yè)時(shí)，應(yīng)選用架式激光掃描器，以確保原始資料的準(zhǔn)確性和測(cè)繪工作的便捷性。設(shè)計(jì)掃描儀在測(cè)繪作業(yè)過程中的參數(shù)，見表1。

表1 三維激光掃描儀在測(cè)繪作業(yè)過程中的參數(shù)

使用上述提出的三維激光掃描儀，對(duì)待測(cè)建筑立面進(jìn)行測(cè)繪，測(cè)繪過程中，僅需要2～3 min便可以完成一個(gè)站點(diǎn)的掃描。在進(jìn)行點(diǎn)云繪制時(shí)，可以采用AutoCAD、Trimble Business Center 等輔助工具，在引入基本點(diǎn)云后，繪制過程與以前的工作模式基本一致。此外，還可以直接利用Trimble RealWorks（簡(jiǎn)稱TRW）等專業(yè)點(diǎn)云處理平臺(tái)，進(jìn)行建筑外立面的輔助繪制。

1.2 外業(yè)掃描與采集數(shù)據(jù)預(yù)處理

TRW軟件實(shí)現(xiàn)了基于平面點(diǎn)云的自動(dòng)配準(zhǔn)，而外業(yè)掃描也可以通過TRW 實(shí)現(xiàn)無標(biāo)靶操作。掃描過程中，僅需要確保兩個(gè)站點(diǎn)在同一平面上存在重疊，同時(shí)也可以在同一平面上進(jìn)行掃描即可，此種方式不僅可以提高掃描工作的效率，還可以提高數(shù)據(jù)自動(dòng)定位的準(zhǔn)確率[1]。為確保外業(yè)掃描工作的規(guī)范化實(shí)施，提出重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)要求。

（1）在自動(dòng)配準(zhǔn)中，僅垂直面可進(jìn)行初始化運(yùn)算。地板、天花板、桌子等水平面在后期被用于精細(xì)定位和管理。

（2）掃描作業(yè)空間中，＜30 cm×30 cm的平面區(qū)域，將不被單獨(dú)采集，即會(huì)在掃描中被忽視。

（3）對(duì)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，要求3 個(gè)以上的平面作為參照。

（4）在一個(gè)相對(duì)對(duì)稱的位置上，可采用添加或附加平面物體的方式，增加圖像與信息配準(zhǔn)的成功率。

（5）如果項(xiàng)目涉及外業(yè)掃描作業(yè)，建議將掃描站點(diǎn)設(shè)置在建筑門口位置，便于后期點(diǎn)云的處理。

通過上述方式采集或獲取的作業(yè)數(shù)據(jù)具有海量特點(diǎn)，加之?dāng)?shù)據(jù)組中存在大量的冗余數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)測(cè)繪結(jié)果造成干擾，因此，需要通過對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，進(jìn)行測(cè)繪結(jié)果的初步整理與總結(jié)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪處理：對(duì)于數(shù)據(jù)集合中一些人眼可以直接看到的噪聲數(shù)據(jù)，可以通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件中的交互工具，手動(dòng)圈出噪聲區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行去噪[2]。去噪處理過程如下：

式中：I代表去噪處理過程；p代表噪聲區(qū)域；n代表噪聲點(diǎn)數(shù)量；P代表點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件中的交互工具。對(duì)初步去噪處理后的采集圖像與數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)置迭代次數(shù)，剔除多種可能對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)造成影響的因素，保證所采集作業(yè)數(shù)據(jù)具有精簡(jiǎn)性優(yōu)勢(shì)[3]。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云的匹配技術(shù)是模型重構(gòu)、形狀檢測(cè)、產(chǎn)品檢測(cè)和計(jì)算機(jī)視覺等方面的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。由于受觀測(cè)設(shè)備角度、環(huán)境等因素的制約，難以從單一觀測(cè)站中直接獲得目標(biāo)圖像的全貌，所以必須從多個(gè)角度、多個(gè)位置上采集到的數(shù)據(jù)，而各觀測(cè)站所收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都在彼此獨(dú)立的坐標(biāo)系中，必須將點(diǎn)云的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化為相同的參照系，從而完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合與配準(zhǔn)。

采用 TRW 自動(dòng)化的自動(dòng)校準(zhǔn)功能，一鍵完成全部測(cè)試站點(diǎn)的拼接。在配準(zhǔn)期間，應(yīng)選取1 個(gè)基準(zhǔn)站，在基準(zhǔn)站的定位過程中，其它站點(diǎn)將與基準(zhǔn)站點(diǎn)共同找到共同的部件，并用平移轉(zhuǎn)動(dòng)將其拼接到合適的位置，從而使參考站點(diǎn)為水平站。具體的自動(dòng)注冊(cè)流程如下。

（1）粗略配準(zhǔn)法：對(duì)各站點(diǎn)的垂直面進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，求出各站點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的唯一解。

（2）精準(zhǔn)配準(zhǔn)法：利用迭代最近點(diǎn)法（ICP），使點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間內(nèi)具有最大交疊率，根據(jù)交疊區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云處理殘差值，進(jìn)行數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)配準(zhǔn)。將配準(zhǔn)過程作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程，計(jì)算公式如下。

式中：X、Y、Z分別代表建筑立面中的3 個(gè)坐標(biāo)軸；K代表坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)。在對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)之后，要對(duì)其按照上述步驟進(jìn)行降噪和分割。TRW 軟件能根據(jù)點(diǎn)云的幾何特性，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行快速分類，減少了傳統(tǒng)人工分類的工作量，提高內(nèi)業(yè)處理的效率。

1.4 生成建筑立面測(cè)繪圖示

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，按照以下步驟，進(jìn)行建筑立面測(cè)繪圖示的生成設(shè)計(jì)：

（1）點(diǎn)云的數(shù)據(jù)可以通過軟件直接設(shè)定成las 格式，并且可以通過定義坐標(biāo)軸來導(dǎo)出。

（2）用自動(dòng)編碼Recap 將las 格式的點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為rcp。

（3）查看所輸入的數(shù)據(jù)是否符合所需的檢視方向，若不符合，應(yīng)調(diào)整點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)，使其與檢視坐標(biāo)系保持一致，通過此種方式，生成建筑立面灰度圖像，對(duì)灰度圖像進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換，即可生成立面測(cè)繪圖示。如圖1 所示。

圖1 建筑立面測(cè)繪結(jié)果生成

圖1 中，左側(cè)圖為測(cè)繪結(jié)果中的灰度圖像；右側(cè)圖為建筑立面測(cè)繪生成圖像。

按照如上方式，生成建筑立面測(cè)繪結(jié)果，完成建筑立面測(cè)繪。

2 對(duì)比分析

上述從理論方面探究了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用思路，為進(jìn)一步驗(yàn)證基于這一技術(shù)的測(cè)繪方法是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑立面的高精度測(cè)繪和測(cè)繪工作開展時(shí)的效率，以某建筑項(xiàng)目作為依托，將上述提出的測(cè)繪方法與當(dāng)前建筑立面測(cè)繪中應(yīng)用的傳統(tǒng)測(cè)繪方法應(yīng)用到該建筑項(xiàng)目當(dāng)中，并針對(duì)兩種測(cè)繪方法的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析。

首先，從兩種測(cè)繪方法的測(cè)繪精度方面進(jìn)行對(duì)比，選擇以該建筑某一立面結(jié)構(gòu)為例，針對(duì)該立面在其結(jié)構(gòu)上隨機(jī)設(shè)置10 個(gè)測(cè)繪點(diǎn)，將測(cè)繪點(diǎn)依次定義為：測(cè)繪節(jié)點(diǎn)I～測(cè)繪節(jié)點(diǎn)X。針對(duì)這10 個(gè)測(cè)繪點(diǎn)，記錄其實(shí)際在建筑立面上的位置平面位置坐標(biāo)，將該立面某一角作為平面位置坐標(biāo)的原點(diǎn)，將原點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置為（0,0），依次為基礎(chǔ)，記錄其他10 個(gè)測(cè)繪點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)，并記錄如表2 所示。

表2 試驗(yàn)中10 個(gè)測(cè)繪點(diǎn)的位置坐標(biāo)

按照上述內(nèi)容，完成對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)際位置坐標(biāo)的記錄后，將其作為建筑立面測(cè)繪精度的標(biāo)準(zhǔn)，若測(cè)繪得到的立面圖上各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)的位置坐標(biāo)與上表中記錄的數(shù)據(jù)相比，相差在（±0.5，±0.5）cm 以內(nèi)，則說明該測(cè)繪方法的測(cè)繪精度符合建筑立面測(cè)繪要求，反之若某一測(cè)繪方法得到的立面圖上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)與上表中記錄數(shù)據(jù)相比相差超過（±0.5，±0.5）cm 范圍，則說明測(cè)繪精度不符合建筑立面測(cè)繪要求。根據(jù)上述論述，將兩種測(cè)繪方法得到的立面圖中各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，并記錄其偏差數(shù)值，將結(jié)果記錄如圖2、圖3 所示。

圖2 本文測(cè)繪方法測(cè)繪點(diǎn)位置坐標(biāo)偏差記錄圖

圖 3 傳統(tǒng)測(cè)繪方法測(cè)繪點(diǎn)位置坐標(biāo)偏差記錄圖

圖2 中，虛線表示各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)位置橫軸坐標(biāo)的偏差數(shù)值；實(shí)線表示各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)位置縱軸坐標(biāo)的偏差數(shù)值。從上圖可以看出，本文測(cè)繪方法應(yīng)用后，各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)的位置坐標(biāo)偏差數(shù)值均控制在了規(guī)定要求的（±0.5，±0.5）cm 范圍內(nèi)，說明本文測(cè)繪方法的測(cè)繪精度符合建筑立面測(cè)繪精度要求。圖3 為傳統(tǒng)測(cè)繪方法測(cè)繪點(diǎn)位置坐標(biāo)偏差圖。

圖3 中，虛線表示各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)位置橫軸坐標(biāo)的偏差數(shù)值；實(shí)線表示各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)位置縱軸坐標(biāo)的偏差數(shù)值。從上圖可以看出，利用傳統(tǒng)測(cè)繪方法對(duì)建筑立面上各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，只有部分測(cè)繪點(diǎn)的位置坐標(biāo)偏差在規(guī)定要求的（±0.5，±0.5）cm 范圍內(nèi)，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的偏差均超過了這一標(biāo)準(zhǔn)。因此說明，傳統(tǒng)測(cè)繪方法在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)繪精度不符合建筑立面測(cè)繪精度要求。綜合上述得出的結(jié)果證明，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到建筑立面測(cè)繪方法當(dāng)中能夠有效提高測(cè)繪結(jié)果的精度，為后續(xù)建筑項(xiàng)目各項(xiàng)工作的開展提供更高精度的測(cè)繪立面圖資源。

其次，在完成上述對(duì)測(cè)繪精度的對(duì)比后，還需要從兩種測(cè)繪方法應(yīng)用下測(cè)繪工作開展時(shí)的效率角度對(duì)兩種測(cè)繪方法進(jìn)行對(duì)比。測(cè)繪效率不僅能夠直觀反映應(yīng)用測(cè)繪方法后測(cè)繪工作開展的水平，還能夠間接反映測(cè)繪過程中各項(xiàng)工作是否具備開展價(jià)值。因此，基于這一特點(diǎn)，仍然以上述十個(gè)測(cè)繪點(diǎn)為例，針對(duì)各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)在測(cè)繪立面圖中生成的時(shí)間進(jìn)行記錄，通過對(duì)比測(cè)繪點(diǎn)生成時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪效率的檢驗(yàn)，即生成時(shí)間越短，測(cè)繪效率越高；反之，生成時(shí)間越長，測(cè)繪效率越低。根據(jù)上述論述，將各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)在測(cè)繪立面圖中生成的時(shí)間進(jìn)行記錄，并繪制成表3 所示的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 兩種測(cè)繪方法各測(cè)繪點(diǎn)生成時(shí)間記錄表

從上表中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，本文測(cè)繪方法生成各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)的時(shí)間均在0.8～1.3 min 范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)測(cè)繪方法生成各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)的時(shí)間均在5.0～6.0 min 范圍內(nèi)，明顯本文測(cè)繪方法生成各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)的時(shí)間更短。根據(jù)上述論述可以得出，本文測(cè)繪方法的測(cè)繪效率更高。

3 結(jié)語

上述研究，將三維激光掃描技術(shù)作為創(chuàng)新，將其應(yīng)用到建筑立面測(cè)繪方法當(dāng)中。在研究過程中，提出一種新的測(cè)繪方法，并對(duì)該測(cè)繪方法的應(yīng)用情況進(jìn)行了初步驗(yàn)證，同時(shí)研究過程中獲得的主要研究成果包括：

（1）根據(jù)建筑立面測(cè)繪需要以及后期建筑項(xiàng)目各項(xiàng)工作任務(wù)需要，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維激光掃描立面測(cè)圖方案的制定。

（2）在測(cè)圖方案基礎(chǔ)上，充分利用三維激光掃描設(shè)備和手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)的采集以及預(yù)處理，為后續(xù)測(cè)繪提供了更高的精度保障條件。

（3）針對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，并最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑立面測(cè)繪圖示的生成。

（4）通過將新提出的測(cè)繪方法與傳統(tǒng)測(cè)繪方法應(yīng)用到相同的條件中，結(jié)合應(yīng)用結(jié)果反饋?zhàn)C明，新的測(cè)繪方法測(cè)繪精度更高，并且能夠在確保測(cè)繪精度的前提條件下，促進(jìn)測(cè)繪效率的提高。

綜合上述研究，提出的建筑立面測(cè)繪方法能夠?yàn)榻ㄖこ淌┕ぬ峁┯行У膸椭谖磥響?yīng)用這一測(cè)繪方法時(shí)，三維激光掃描技術(shù)還將得到進(jìn)一步的發(fā)展，并且其他技術(shù)的產(chǎn)生也會(huì)為其提供有利幫助，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑幾何特征的真實(shí)展現(xiàn)。目前三維激光技術(shù)仍然是一項(xiàng)新型技術(shù)，還存在有待進(jìn)一步完善的問題。例如，對(duì)原始數(shù)據(jù)采集時(shí)若周圍干擾因素過多會(huì)造成數(shù)據(jù)數(shù)量增加，影響后續(xù)配準(zhǔn)等。因此，在后續(xù)的研究中還將對(duì)諸如此類問題進(jìn)行更深入探索。