姚培軍 尹燕運(yùn)

（中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

建筑物外立面測(cè)量是利用技術(shù)手段對(duì)已有建筑物的外貌、形狀、高度、外部裝飾等內(nèi)容進(jìn)行精確測(cè)量，并反映出建筑物外表面包含的門窗、陽(yáng)臺(tái)、臺(tái)階等內(nèi)容的工作。

隨著技術(shù)的發(fā)展，建筑物外立面測(cè)量方法有了多種選擇。國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員對(duì)于建筑物外立面測(cè)量主要從采用合適的技術(shù)方法去提高作業(yè)效率層面進(jìn)行研究。傳統(tǒng)作業(yè)模式為：外業(yè)采用“全站儀+草圖”的方法，使用全站儀免棱鏡模式采集建筑物外立面細(xì)部特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)；內(nèi)業(yè)將全站儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，繪制立面圖[1-3]。國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)于采用地面三維激光掃描儀的方法進(jìn)行了詳細(xì)研究[4-10]，地面三維激光掃描儀可以快速獲取高精度、高密度的建筑物外立面幾何特征點(diǎn)云，配合相關(guān)軟件快速精確地繪制建筑物外立面圖。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)雖然已對(duì)兩種作業(yè)方式有了較為全面的研究并對(duì)比了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，但兩種作業(yè)模式相結(jié)合的研究比較少。當(dāng)建筑物外立面結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，傳統(tǒng)作業(yè)模式工作量大、效率低，不僅容易出錯(cuò)，而且不易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。利用地面三維激光儀可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，但遇到作業(yè)空間狹小、遮擋嚴(yán)重的情況時(shí)會(huì)有采集數(shù)據(jù)不完整的情況。

在實(shí)際工程中，將兩種方式進(jìn)行整合，形成一套以地面三維激光掃描技術(shù)為主、全站儀免棱鏡技術(shù)為輔的工作流程，可以快速完成建筑物外立面測(cè)量任務(wù)，對(duì)類似工程提供參考指導(dǎo)。

1 技術(shù)路線

將建筑物不同的立面投影到與立面平行的鉛垂面上，然后按照一定比例縮小而得到的正射投影圖稱之為建筑立面圖，簡(jiǎn)稱立面圖[11]。立面圖主要反映建筑物在垂直方向的各部分高度、藝術(shù)造型和外部裝飾等特征[10]。一般情況下，立面測(cè)量的成果形成需要依托AutoCAD 平臺(tái)的CASS 和天正軟件[12]，也可依托清華山維EPS 軟件[13]。立面圖上應(yīng)將門窗、陽(yáng)臺(tái)、造型、屋面等都表示出來(lái)，利用尺寸標(biāo)注、圖例、說(shuō)明等方式解釋各部分相對(duì)位置關(guān)系及大小。

利用地面三維激光掃描儀獲取建筑物整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)、利用全站儀免棱鏡技術(shù)進(jìn)行局部補(bǔ)測(cè)，本文使用FARO Focus S 350 激光掃描儀進(jìn)行建筑物外立面點(diǎn)云的獲取，實(shí)現(xiàn)建筑物外立面測(cè)量的作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

2 實(shí)施過(guò)程

本文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)實(shí)施的具體過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并總結(jié)各環(huán)節(jié)應(yīng)注意的問(wèn)題。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

接受任務(wù)后，需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，現(xiàn)場(chǎng)踏勘是重要的前期準(zhǔn)備工作。如現(xiàn)場(chǎng)建筑物數(shù)量較多，應(yīng)手繪建筑物分布略圖，并在圖中標(biāo)注擬定地面三維激光掃描作業(yè)測(cè)站點(diǎn)。測(cè)站點(diǎn)位置的選擇應(yīng)符合以下五個(gè)要素：①測(cè)站點(diǎn)位置應(yīng)視野開闊、行人車輛較少且距離建筑物不宜過(guò)近；②測(cè)站點(diǎn)之間距離應(yīng)適當(dāng)，以保證獲得的點(diǎn)云有足夠的重疊度；③測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)位置應(yīng)充分考慮建筑物外立面的結(jié)構(gòu)變化處、屋面凹凸線、門窗位置等重點(diǎn)部位，如無(wú)法一站獲取全部數(shù)據(jù)，應(yīng)適當(dāng)加設(shè)測(cè)站點(diǎn)；④掃描視線與目標(biāo)夾角應(yīng)盡量小[5]，建筑物正面宜布設(shè)測(cè)站點(diǎn)，若現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不允許，可在需測(cè)立面的兩個(gè)角點(diǎn)處布設(shè)測(cè)站；⑤對(duì)于建筑物高度較高的情況，應(yīng)在距建筑物較遠(yuǎn)且較高處布設(shè)測(cè)站點(diǎn)，以保證建筑物上部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性。

踏勘過(guò)程中要重點(diǎn)查看建筑物密集、遮擋嚴(yán)重、作業(yè)空間狹小的區(qū)域，在這些區(qū)域附近選取合理位置布設(shè)全站儀架站點(diǎn)，施測(cè)過(guò)程中采用全站儀免棱鏡模式進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量。

踏勘過(guò)程中還應(yīng)注意以下問(wèn)題：①準(zhǔn)確獲取建筑物層數(shù)，并將層數(shù)標(biāo)注在建筑物分布略圖中；②必要的情況下，可提前確定靶標(biāo)位置；③根據(jù)工作量大小及儀器電池工作時(shí)間，預(yù)估外業(yè)作業(yè)時(shí)間；④根據(jù)未來(lái)天氣及工期情況擬定進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，需協(xié)調(diào)進(jìn)場(chǎng)的要提前溝通。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

地面三維激光掃描儀作業(yè)一般需要兩人，一人操作儀器，另一人需要盡量減少現(xiàn)場(chǎng)車輛及人員的走動(dòng)對(duì)掃描的影響，必要的情況下需增加人員協(xié)助。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘初步選定的測(cè)站點(diǎn)位置，結(jié)合儀器仰角及遮擋物情況確定最終測(cè)站位置；根據(jù)建筑物表面結(jié)構(gòu)的不同選擇不同的掃描精度。FARO Focus S 350 激光掃描儀外業(yè)掃描作業(yè)可以采用無(wú)靶標(biāo)作業(yè)方式，相鄰兩站之間需要保證一定的重疊度，重疊度建議達(dá)到10%以上。每站掃描結(jié)束后立即通過(guò)儀器屏幕檢查掃描效果，如掃描效果明顯不好需要檢查原因并在此站重新掃描。遇到雨、雪等天氣應(yīng)盡量避免掃描作業(yè)。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)能判斷、確定的三維激光掃描儀無(wú)法測(cè)量的區(qū)域，采用自由設(shè)站[9]的方法架設(shè)全站儀進(jìn)行免棱鏡測(cè)量。宜選取精度不低于測(cè)角精度±2″，測(cè)距精度2 mm+2 ppm·D 的全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[14]。全站儀免棱鏡測(cè)量時(shí)，應(yīng)對(duì)掃描儀已采集數(shù)據(jù)區(qū)域的建筑物的特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量作為立面基準(zhǔn)點(diǎn)，以方便內(nèi)業(yè)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如房屋下緣線兩端點(diǎn)、具有顯著特征的平面特征點(diǎn)等。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

地面三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)需要利用專門的軟件進(jìn)行拼接，將多個(gè)測(cè)站采集的點(diǎn)云合成一個(gè)單一有效的點(diǎn)云。不同品牌的掃描儀一般都有配套的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，如Riegl 掃描儀配套軟件RiscanPro、FRAO 掃描儀配套軟件SCENE、Trimble 掃描儀配套軟件Trimble RealWorks、Leica 掃描儀配套軟件Leica Cyclone 等[15]。

本作業(yè)流程以SCENE 軟件為例，其數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程圖

使用SCENE 軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接，可以使用軟件的自動(dòng)注冊(cè)功能。自動(dòng)注冊(cè)分為兩步：第一步選擇基于俯視圖方法進(jìn)行注冊(cè)并驗(yàn)證，完成后查看三維視圖和拼接誤差報(bào)告，在報(bào)告中可以查看拼接精度；第二步選擇基于云對(duì)云方法進(jìn)行注冊(cè)并驗(yàn)證，完成后同樣可以查看三維視圖和拼接誤差報(bào)告。如果在自動(dòng)注冊(cè)的過(guò)程中通過(guò)三維視圖發(fā)現(xiàn)拼接錯(cuò)誤，或者拼接誤差報(bào)告中點(diǎn)誤差過(guò)大，需要選擇手動(dòng)注冊(cè)。采用無(wú)標(biāo)靶作業(yè)模式，在SCENE 中相鄰兩站可以標(biāo)記兩個(gè)共同平面外加一個(gè)共同點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)注冊(cè)，兩站手動(dòng)注冊(cè)后可以自動(dòng)組成一個(gè)集群。手動(dòng)注冊(cè)需要注意：①標(biāo)記的共同平面和共同點(diǎn)不要集中在一起，盡量分散；②共同面應(yīng)盡量小，共同點(diǎn)應(yīng)為同一平面內(nèi)的特征角點(diǎn)且不宜選擇有凹凸結(jié)構(gòu)的角點(diǎn)；③合理利用集群功能，可以快速完成注冊(cè)拼接。

在外業(yè)掃描時(shí)，樹木、車輛、行人等所有能夠反射激光信號(hào)的物體都被采集，為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量及建筑物特征識(shí)別的精度，拼接完成后的點(diǎn)云需要進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的刪除。點(diǎn)云拼接效果見(jiàn)圖3。

圖3 點(diǎn)云拼接效果圖

2.3.2 全站儀數(shù)據(jù)處理

全站儀數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理，最主要的工作是數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法有很多，向繼平等[9]、何屹雄等[12]利用CASS 軟件和Excel 表格相結(jié)合的方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理原理相同，可以靈活選用合適的處理方法。根據(jù)其研究基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以選擇以下簡(jiǎn)便的方法完成全站儀自由設(shè)站采集數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：①將全站儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出，整理成格式為“點(diǎn)號(hào),,Y,X,H”的.dat 文件，將導(dǎo)出的文件導(dǎo)入CASS軟件，做簡(jiǎn)單連線；②以外業(yè)采集的立面基準(zhǔn)點(diǎn)一端為軸，旋轉(zhuǎn)至水平方向，將旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)生成數(shù)據(jù)文件并保存為.csv 格式；③用EXCEL 軟件打開.csv 文件，用H 列的數(shù)據(jù)替換X 列的數(shù)據(jù)，后將H 列的數(shù)值全部修改為0，保存為新的.dat 文件；④將新的.dat 文件重新展點(diǎn)到CASS 中。

2.3.3 立面圖繪制

利用已處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制立面圖，主要有兩種方法[5,8,16]：一種是三維的方法，利用Autodesk Recap 將SCENE 軟件導(dǎo)出的.pts 格式點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成.rcp 格式，將.rcp 格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Auto-CAD 中，自定義UCS，選擇需繪制立面的視圖進(jìn)行描繪。此方法是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接進(jìn)行量測(cè)，因此對(duì)電腦的性能要求較高，此外對(duì)作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求也較高。另一種方法是利用正交投影相片，SCENE 軟件可以導(dǎo)出.tif 格式的正交相片，將.tif 格式的正交相片導(dǎo)入至AutoCAD 中可以描繪出立面圖。此方法作業(yè)效率較高，操作簡(jiǎn)便易行。全站儀補(bǔ)充測(cè)量的數(shù)據(jù)，根據(jù)外業(yè)草圖進(jìn)行繪制。正交相片見(jiàn)圖4。

圖4 正交相片

在立面圖繪制的過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：①建立合理的圖層，不同的要素選用不用的圖層顏色（見(jiàn)圖5）；②SCENE 軟件可以導(dǎo)出每個(gè)測(cè)站的全景照片，繪制立面圖時(shí)可以參考；③點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的立面圖和全站儀數(shù)據(jù)繪制的立面圖，需要有公共點(diǎn)進(jìn)行拼接。

圖5 圖層設(shè)置示例

經(jīng)過(guò)以上步驟可繪制出建筑物外立面線劃圖（見(jiàn)圖6），作業(yè)人員需對(duì)初圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，如發(fā)現(xiàn)繪制錯(cuò)誤或遺漏重要要素，需進(jìn)行全站儀補(bǔ)測(cè)或少量皮尺量測(cè)。

圖6 建筑外立面線劃圖

3 結(jié)論

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了地面三維激光掃描儀結(jié)合全站儀進(jìn)行建筑物外立面測(cè)量的流程及注意事項(xiàng)，得出以下結(jié)論：

（1）利用地面三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物外立面點(diǎn)云掃描快速高效地完成外立面點(diǎn)云獲取，結(jié)合全站儀定點(diǎn)補(bǔ)充測(cè)量對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整部分進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)建筑物外立面重要要素的坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取工作。

（2）內(nèi)業(yè)充分利用點(diǎn)云處理軟件和AutoCAD 相關(guān)軟件，可以提高內(nèi)業(yè)繪圖效率。

（3）本文的工作流程方案，可以更好地為建筑物外立面測(cè)量工作服務(wù)，為類似工程項(xiàng)目提供參考。

（4）新技術(shù)的發(fā)展，帶來(lái)了作業(yè)模式的更新，根據(jù)實(shí)際工作的不同，應(yīng)選擇合適的作業(yè)方式，如無(wú)人機(jī)測(cè)量。