曹君 呂麗平

摘? 要：2019年10月，第七屆世界軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)即將在武漢舉行。為展示城市魅力，武漢市正在進(jìn)行建筑物立面整治工作。本文結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，探索建立了一套建筑物立面信息采集與數(shù)據(jù)處理方法，該方法可以有效地解決傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法中存在的作業(yè)復(fù)雜、項(xiàng)目工期長(zhǎng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了立面整治數(shù)據(jù)的快速采集、處理與成圖。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;立面信息獲取;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：P234.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）21-0159-03

Abstract：In October 2019，the 7th CISM Military World Games will be held in Wuhan. In order to show the charm of the city，Wuhan is carrying out the renovation of building facades. Combined with 3D laser scanning technology，this paper explores and establishes a set of building facade information collection and data processing method. This method can effectively solve the problems of complex operation and long project duration existing in the traditional total station measurement method，and realize the rapid collection，processing and mapping of facade renovation data.

Keywords：3D laser scanning;elevation information acquisition;data acquisition

0? 引? 言

要看一座城市美不美，建筑是其中重要的一環(huán)。而建筑的外立面，可謂是城市的封面，封面是否吸引人，很大程度上決定了人們打開這幅城市書卷的興趣。2019年10月，第七屆世界軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)即將在武漢舉行，為了向來(lái)自世界各地的選手展示武漢這座城市的魅力，武漢市正在進(jìn)行城市環(huán)境綜合整治提升工作，建筑立面整治是其中的重要組成部分。

通過(guò)一定的技術(shù)手段獲取立面數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)工作量是立面整治工作的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)測(cè)量方法由于效率低、工期長(zhǎng)，無(wú)法滿足快速成圖、統(tǒng)計(jì)成果的需求，快速獲取建筑物立面數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得建筑物各立面圖，成為影響建筑物立面整治工作效率的關(guān)鍵因素之一。

為解決這一問(wèn)題，本文對(duì)當(dāng)前測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一——三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了探索，并總結(jié)了一套建筑物立面信息采集與數(shù)據(jù)處理方法，并結(jié)合天河機(jī)場(chǎng)及其附屬建筑物立面測(cè)量的實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)踐，結(jié)果表明基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法速度快、精度高，能夠滿足立面整治工作快速高精度采集、處理、成圖的需求。

1? 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，它能夠快速高效地獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，并建立三維模型，又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。它利用激光測(cè)距的原理，記錄被測(cè)物體表面大量密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)測(cè)量手段相比，三維激光掃描技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）非接觸測(cè)量。三維激光掃描技術(shù)采取非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，無(wú)需架設(shè)棱鏡，不需要對(duì)掃描目標(biāo)物體進(jìn)行任何表面處理，物體表面的三維數(shù)據(jù)被直接采集，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，可以用于獲取危險(xiǎn)目標(biāo)信息，以及人員無(wú)法到達(dá)的地方的數(shù)據(jù);（2）數(shù)據(jù)采樣率高。目前，三維激光掃描儀采樣速率最大可達(dá)到百萬(wàn)點(diǎn)/秒，這是傳統(tǒng)單點(diǎn)采集的測(cè)量方式難以比擬的;（3）全天候作業(yè)。三維激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)發(fā)射掃描光源，通過(guò)探測(cè)采集主動(dòng)發(fā)射的激光回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)物體表面的數(shù)據(jù)信息，因此掃描的過(guò)程受環(huán)境和時(shí)間的影響小，可全天候作業(yè)，有效工作時(shí)間長(zhǎng)、工作效率高;（4）高分辨率、高精度。三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云分辨率高，單點(diǎn)精度可達(dá)2mm;（5）可與數(shù)碼相機(jī)、GPS系統(tǒng)配合使用，信息獲取更全面、準(zhǔn)確。數(shù)碼相機(jī)的使用增強(qiáng)了目標(biāo)紋理和色彩信息的采集能力，使掃描獲取的目標(biāo)信息更全面豐富。GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用則進(jìn)一步提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2? 基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法

基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法一般分為如下幾個(gè)步驟：（1）現(xiàn)場(chǎng)踏勘與數(shù)據(jù)采集;（2）點(diǎn)云拼接;（3）噪聲剔除與點(diǎn)云分割;（4）格式轉(zhuǎn)換與導(dǎo)出;（5）立面繪制;（6）面積統(tǒng)計(jì);（7）圖形整飾與輸出。本文以Leica P30三維激光掃描儀、Cyclone 三維點(diǎn)云處理軟件和AutoCAD制圖軟件為例，對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法詳細(xì)描述如下。

2.1? 現(xiàn)場(chǎng)踏勘與數(shù)據(jù)采集

對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，并結(jié)合實(shí)際情況選擇測(cè)站點(diǎn)。一般而言，為保證后期數(shù)據(jù)處理工作的順利進(jìn)行，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要遵循如下原則：（1）采集目標(biāo)位于激光掃描儀掃描范圍以內(nèi);（2）相鄰兩側(cè)站間掃描點(diǎn)云需有明顯重疊;（3）需實(shí)時(shí)繪制測(cè)站點(diǎn)布設(shè)草圖，并拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片。

2.2? 點(diǎn)云拼接

受視線遮擋和掃描儀自身掃描距離限制等因素的影響，往往需要布設(shè)多個(gè)測(cè)站，才能獲得測(cè)區(qū)范圍內(nèi)建筑物的各個(gè)立面數(shù)據(jù)，為獲得建筑物整體布局等信息，需要對(duì)各測(cè)站所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，其技術(shù)流程如下：（1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入：在Cyclone軟件中新建數(shù)據(jù)庫(kù)，并導(dǎo)入外業(yè)原始觀測(cè)數(shù)據(jù);（2）點(diǎn)云拼接：在Cyclone軟件中通過(guò)點(diǎn)云拼接功能，對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移操作，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的兩兩對(duì)齊，并進(jìn)行拼接和誤差檢查，重復(fù)上述過(guò)程，直至同一個(gè)區(qū)域內(nèi)各建筑物所有點(diǎn)云拼接完成。

2.3? 噪聲剔除與點(diǎn)云分割

點(diǎn)云拼接完成后，各區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往可達(dá)百億級(jí)，為提高數(shù)據(jù)處理效率，需要剔除各區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的無(wú)用點(diǎn)云，并進(jìn)行點(diǎn)云分割，獲得簡(jiǎn)潔直觀的建筑物平面圖及各立面圖信息，具體技術(shù)流程如下：（1）數(shù)據(jù)剔除：對(duì)已拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放，切換到合適的視角，刪除無(wú)用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如道路、樹木、車輛等非目標(biāo)地物，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，提高數(shù)據(jù)處理效率;（2）點(diǎn)云分割：調(diào)整視角，依次在正投影和各個(gè)側(cè)面投影中，通過(guò)多邊形切割工具，對(duì)剔除了無(wú)用數(shù)據(jù)的點(diǎn)云進(jìn)行分割，將建筑物俯視圖及各個(gè)立面圖點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為單獨(dú)的文件。

2.4? 格式轉(zhuǎn)換與導(dǎo)出

（1）尺寸量測(cè)：在各個(gè)立面的點(diǎn)云文件中，對(duì)建筑物關(guān)鍵尺寸信息進(jìn)行量測(cè)，如墻體輪廓點(diǎn)、門窗角點(diǎn)等，獲取各立面墻體、門窗和其他地物尺寸信息，并進(jìn)行標(biāo)注;（2）格式轉(zhuǎn)換：將做好尺寸量測(cè)與標(biāo)注的各立面信息，切換到正視視角，并縮放至全圖，在主界面中將文件導(dǎo)出為圖片文件。

2.5? 立面繪制

（1）輪廓描繪：將Cyclone中導(dǎo)出的圖片文件導(dǎo)入AutoCAD，依次新建墻體、門、窗、屋檐、標(biāo)注等圖層，并通過(guò)多段線、矩形等工具，分別沿著圖片中各角點(diǎn)繪制建筑物外圍、門、窗、屋檐等輪廓線;（2）尺寸縮放：在CAD中量測(cè)建筑物各立面主要輪廓的尺寸數(shù)據(jù)，并與Cyclone中標(biāo)注的尺寸進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算比例因子，并對(duì)圖形進(jìn)行整體縮放，將各立面整體縮放至實(shí)際尺寸。完成尺寸縮放后，即可進(jìn)行尺寸標(biāo)注，標(biāo)注對(duì)象包括墻體、門、窗寬度和高度等。

2.6? 面積統(tǒng)計(jì)

為統(tǒng)計(jì)各立面墻體面積，需依次對(duì)墻體、門、窗面積進(jìn)行匯總。依次選擇墻體、門、窗等圖層，通過(guò)CAD要素合并功能，對(duì)同一圖層范圍內(nèi)的同一類型要素進(jìn)行合并，并依次對(duì)門、窗、墻體等要素的總面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記入總面積統(tǒng)計(jì)表。

2.7? 圖形整飾與輸出

對(duì)建筑物的立面圖形進(jìn)行整飾，插入圖名、圖框、單位、比例尺、面積表等信息，調(diào)整各要素顏色，確保成圖美觀大方、實(shí)用規(guī)范，最后輸出為dxf圖形格式。

3? 實(shí)踐研究

為驗(yàn)證上述方法的有效性，本文以武漢天河機(jī)場(chǎng)及其附屬建筑物立面測(cè)量項(xiàng)目為依托，開展了實(shí)踐研究。

3.1? 項(xiàng)目概況

天河機(jī)場(chǎng)位于湖北省武漢市黃陂區(qū)，占地總面積約12平方公里，機(jī)場(chǎng)及其附屬建筑物共120余棟，均為總層數(shù)少于4層的低矮建筑，分布較為稀疏，因此采用傳統(tǒng)測(cè)量手段存在布設(shè)控制點(diǎn)工作量大、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，而新興的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)也由于機(jī)場(chǎng)周邊禁飛而難以施行。因此，通過(guò)充分調(diào)研、科學(xué)論證，本文基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了探索實(shí)踐。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用Leica P30三維激光掃描儀1臺(tái)、Leica Cyclone三維激光點(diǎn)云處理軟件1套和AutoCAD 制圖軟件3套進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐，并最終輸出各建筑物立面圖及其面積統(tǒng)計(jì)表。

以上成果全部順利通過(guò)驗(yàn)收，成功應(yīng)用于天河機(jī)場(chǎng)立面整治工程，為工程決策、實(shí)施、驗(yàn)收提供了有力支撐。這也說(shuō)明了本文方法的有效性，能夠滿足立面數(shù)據(jù)的快速采集、處理與成圖的需要，且精度也符合相關(guān)規(guī)范要求。

4? 結(jié)? 論

本文對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面信息獲取方法進(jìn)行了深入探索，并結(jié)合軍運(yùn)會(huì)背景下天河機(jī)場(chǎng)及其附屬建筑物的立面整治實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)踐研究，獲取了各建筑物立面圖形，及各要素面積信息，為天河機(jī)場(chǎng)周邊建筑物的立面整治工程提供了科學(xué)支撐。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本文所提出的方法能夠滿足立面數(shù)據(jù)的快速采集、處理與成圖的需要，精度也符合相關(guān)規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 洪山區(qū)房管局.提升市容市貌，“容光煥發(fā)”迎軍運(yùn) [DB/OL].[2019-03-25].http：//www.hongshan.gov.cn/bmdt/201903/t20190325_117653.shtml.

[2] 王勛.基于三維激光掃描的橋面變形檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究 [D].重慶：重慶交通大學(xué)，2015.

[3] 謝武強(qiáng)，宋楊，王峰，等.三維激光掃描儀在建筑物立面測(cè)量中的應(yīng)用 [J].城市勘測(cè)，2013（1）：12-14+20.

[4] 龔良雄，趙興友，朱鋒博.基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物立面測(cè)繪及成果精度評(píng)定[J].城市勘測(cè)，2018（6）：67-69.

[5] 彭勁松，葉波，李娟，等.三維激光技術(shù)在建筑物外立面測(cè)量中的應(yīng)用 [J].測(cè)繪通報(bào)，2018（7）：156-159.

[6] 曾文偉.地面三維激光掃描技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用 [D].撫州：東華理工大學(xué)，2017.

[7] 郭柏希.基于三維激光掃描技術(shù)的工業(yè)廠房三維建模與應(yīng)用研究 [D].長(zhǎng)春：吉林建筑大學(xué)，2016.

作者簡(jiǎn)介：曹君（1987-），女，漢族，湖北武漢人，講師，碩士，主要從事測(cè)量專業(yè)教學(xué)與研究工作。