三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用研究_张丽霞.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:张丽霞，郦琛依，阮成成等 三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用研究 J 城市勘测，2023(1):144147文章编号:16728262(2023)0114404中图分类号:P258文献标识码:B三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用研究张丽霞1，2，郦琛依2，阮成成2，廖丽霞1，2*收稿日期:20220301作者简介:张丽霞(1978)，女，工程师，主要从事不动产确权发证，倾斜摄影，三维激光扫描，数字化三维单体建模等相关工作。Email:zlxchykjdlxx 163com(1.浙江省国土勘测规划有限公司，浙江 杭州310030;2.浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州310023)摘要:城市化发展规划、旧城改造过程中，老旧建筑物立面信息数据已成为建筑物修缮改造的重要基础和依据，传统粗放式测量技术手段存在工作量大、工作效率低、对外界环境要求高以及细部特征采集不全等诸多局限性。本文以某工程实践为例，将三维激光扫描应用到建筑物立面测量中，制定了一套切实可行的立面测量技术流程，研究结果对建筑物立面数据的有效采集、后期管理以及建立完善的建筑物档案资料具有较强的参考价值。关键词:三维激光扫描;旧城改造;建筑物;立面测量1引言在城市更新发展过程中，很多区域市政配套设施落后、建筑物年久失修已无法跟进现代城市化发展的步伐，而我国正处于从“小康型”向“共富型”过渡的关键时期，因此必然对城市住宅提出更高的要求。而对老旧城市建筑物美化、改造过程中无论是造价计算还是规划设计，都需要快速获得目标建筑物三维模型及外立面尺寸及坐标数据，为施工建设提供规划设计和装饰等方面技术支持，这一过程称之为建筑物立面测绘1。传统观测方式主要是测距仪测量和免棱镜测量，但是这两种方式观测效率低，还需布点和通视因此工作效率低、数据采集难度大，传统作业方式都是白天作业，而建筑物一般都位于闹市区，周围人流、车流密集，干扰性较大，更加剧了观测难度，而精准、高效核算旧城面积和改造工作量是保证相关工程顺利推进的基础。近年来随着三维激光扫描技术的不断发展，其具有精度高、速度快的优势，逐渐应用于各类复杂环境的工程建设领域，效果良好。本文以某工程案例为研究对象，应用三维激光扫描技术，采集建筑物点云数据，并基于点云数据构建建筑三维模型，最后生成立面成果图，可为三维激光扫描技术在建筑立面测量中的应用提供重要技术参考2，3。2相关理论基础2.1立面图测绘相关理论立面图是指能够反映建筑物外形、高度地精确反映，包括建筑物外貌、高度、外部装饰以及屋面、台阶、阳台和门窗等部件位置和形式的准确体现和数形描述。与建筑物立面平行的投影所做出的正投影图，称为建筑物立面图，简称立面图。如果建筑物四个方向立面的形状不同，则要画出从左、右侧立面图和背立面图。立面图的名称也可按照房屋的朝向分别称为东立面图、南立面图、西立面图和北立面图，还可按房屋两端轴线的编号命名4。2.2三维激光扫描数据采集原理三维激光扫描系统坐标原点位于扫描仪相位中心，X 轴在横向扫描面内，Y 轴在横向扫描面内与 X 轴垂直，Z 轴与横向扫描面垂直。首先发射器发出一个激光脉冲信号，内部控制系统旋转反射镜，激光脉冲经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，内部计算系统通过脉冲发出和接收时间，得到目标点到相位中心距离 S，再结合脉冲发出时扫描仪水平和竖直方向旋转角、，最后通过坐标正算和校正，获得 P 点坐标，坐标原理如图 1 所示5:图 1三维激光扫描测量点坐标原理第 1 期张丽霞，郦琛依，阮成成等.三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用研究3测区概况及点云数据处理3.1测区概况本次实验对象为某城镇商业住宅共 7 层，东西长454 m，南 北 宽 291 m，建 筑 物 底 部 至 最 高 处 高304 m，建筑物自西向东 30 m处向南偏移 53 m。建筑物一楼以沿街店铺为主，2 层 7 层以办公区域为主。按照当地土地统一规划要求，需对该建筑物重新进行规划设计，受某施工队和规划设计院委托，需对该建筑物进行外立面测绘，测量成果作为规划设计重要参考。3.2外业数据采集及预处理基于三维激光扫描进行建筑物立面图测绘，首先利用三维激光扫描仪获取点云数据，外业数据采集完成后，然后对点云数据预处理，再基于预处理后的点云数据在 Sketch Up 软件中建立三维模型，最后基于三维模型运用 Autodesk CAD 软件生成建筑物立面图，并赋予建筑物立面属性信息。图 2外业数据采集测站布设方案外业数据采集测站布设方案如图 2 所示，从建筑物西南角开始，顺时针进行数据采集，共布设 11 个测站，为保证采集到足够多有效点云数据，在建筑物盲区需加设测站(测站 4、测站 6 和测站 9)，并布设一定数量靶标球以方便内业数据拼接和坐标转换，并保证相邻测站至少有 3 个以上共同靶。此外由于建筑物高度较高，顶部易产生盲区，因此外业数据采集可采用“远近结合”的方式获取(近测站:1、2、4、6、7、8、9 远测站:3、5、10、11)，待以上工作准备完成后进行仪器架设，外业技术人员设置好扫描参数进行扫描作业。点云预处理包括点云配准、点云去噪和精简，点云配准是将不同视角下点云数据进行拼接，获得建筑物完整的点云数据;点云去噪是将除目标建筑物以外的杂点进行去除，包括周边附属物、行人、车辆等;点云精简是按照一定规则，减少点云数量，提高点云数据处理效率，由于本项目计算机软件配置较高，点云精简必将对缺失部分区域点云造成精度损失，因此不做精简处理4。预处理后的点云数据如图 3 所示:图 3预处理后的建筑物点云数据4三维模型重建及精度分析4.1三维模型重建三维模型重建借助的是 Undet 插件，借助该插件可以将点云数据导入到建模软件中(包括 SketchUp、evit 和 Autocad)，利用插件所提供的工具可以对点云进行剖切、分析和提取。由于建筑物较为规则，因此本文选择 SketchUp 软件建模，第一步将扫描仪获取的原始点云数据进行格式转换，本项目将las 点云数据的换成ipcp 格式。待数据导入后，进行模型重建，首先要确定建模起始面，由于后续模型的构建都是前期基础上完成，因此基准面的选择至关重要。本文在实验时选择插件自带的“点云拟合”工具，由于墙体表面平整，因此选择墙面为起始平面，设置拟合半径，软件自动拟合出一个最佳平面，在平面的基础上进行推拉和延展。其他部分建模时对照点云进行建模，部分附属物如空调、抽油烟机、围栏等可以制作成组件方便后期使用。对照点云建模的关键点就是重建过程中模型要与点云贴合，贴合情况可以通过多旋转角度判断，如发现模型覆盖点云，点云数据缺失、无肉眼可见，则说明模型尺寸过大，“覆盖”点云数据;如果发现点云和模型之间从俯视角度观察到明显空隙，则说明模型尺寸偏小，还需要扩大相应位置尺寸。因此在模型重建过程中，可将模型设置成透视，方便判断建模。模型效果如图4 所示:4.2立面图绘制建筑立面图是指与建筑物正面平行的反映建筑物各部位的高度，形式等特征在铅直投影面上所做的正541城市勘测2023 年 2 月图 4基于 SU 软件和 Undet 插件建立的三维模型图 5建筑物立面图投影图。根据 2.1 节所建立的三维模型，选择菜单栏里的“相机选项”，再选择“平行投影”“标准视图”，根据提示选择五个角度视图投影，依次导出dwg 格式的五个视角的二维线画图。最后导入到 CAD 软件中，利用 CAD 软件人机交互方式对模型从点、线、面等特征元素进行优化。由于 SU 软件已经导出精确的二维位置关系，因此实际特征元素优化就是将普通线画图转换成统一要求的立面图，包括设定标高、建立图层以及图幅整饰等，建筑物立面效果如图 5 所示6，7:4.3成果精度分析(1)点云精度评定建筑物立面图绘制后，需要对建筑物立面测绘成果进行精度评定，由于目前没有相关规范规定立面测量成果平面位置及高程精度，因此对点云精度进行评定，参考工程测量通用规范(GB550182021)，点云平面精度及高程精度要求如表 1 所示8，9:表 1三维模型平面和高程精度要求地物类别点位中误差/m高程中误差/m主要建(构)物005002一般建(构)物007003本文选择建筑物均匀分布的 10 个检查点，以全站仪实测实际建筑数据为基准评定点云精度，平面及高程精度偏差如表 2 所示:表 2点云平面及高程坐标偏差统计编号JCD1JCD2JCD3JCD4JCD5JCD6JCD7JCD8JCD9JCD10X/m0021002600310020001900320036004100270015Y/m0030002500300018002000160028002500190010Z/m0024001000070017001500130025001800120005再根据中误差计算公式如式(1)得到:x=XXn=0034my=YYn=0028mz=ZZn=0019m (1)式中，X、Y、Z 分别为检查点点云坐标与实测坐标偏差，为中误差。求得检查点平面位置中误差和高程中误差分别为:平面=2X+2Y=0038 m;高程=2X+2Y=0019 m通过计算结果可以看出，点云平面位置及高程精度均满足 工程测量通用规范 要求，证明了本项目建筑物立面测绘成果的可靠性。(2)立面成果精度计算虽然目前对立面成果精度还未明确规定，但是对于实际工程技术应用而言，精细建模立面成果如果偏差在 5 cm内，一般能满足后期应用要求。因此特选择五个特征区域包括窗户、楼梯、墙面、广告牌和门进行精度验证，每个特征区域选择三组数据计算偏差，相关计算公式如下所示:l=(LL)2(n1)?l=1+2+3n(2)641第 1 期张丽霞，郦琛依，阮成成等.三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用研究式中，L 为实测长度，为检查点单位权中误差，?为平均中误差，检核结果如表 3 所示:表 3三维模型外立面数据检核表(单位/m)目标长度偏差编号目标 1目标 2目标 3目标 4目标 5楼梯口00410039003700510048门00280042003300480040广告牌00480039004400380051墙面00510043003600420042窗户00290046004000470034根据中误差和单位权计算公式，得到各检验目标中误差和单位权中误差分别为:楼梯口=0044楼梯口=0006;门=0039门=0008;广告牌=0044广告牌=0005;墙面=0043墙面=0005;窗户=0040窗户=0007 平均单位权中误差为?=0006 2通过表 3 可以看出，构建的三维模型立面测量结果与实际建筑高度最大立面尺寸最大偏差为 51 cm，最小偏差为 28 cm，检核所有的 5 个目标中平均偏差为 415 cm，所有检验目标的中误差均不超过 45 cm，平均单位权中误差为 62 mm，结果表明，利用三维激光扫描技术进行建筑物立面测绘成果精度能够满足设计部门的精度要求。5结语本文依托实际工程案例，基于三维激光扫描技术获取建筑物点云数据进行立面图测绘，不仅可以直接获取建筑物的精确三维数据，还可高效获取几何空间信息，并且特征点、线中误差完全满足建筑物立面测量的精度要求。研究结果表明，三维激光扫描技术具有高自动化、高效率的独特优势，解决了传统老旧小区立面测量中的“低效率”“可视化差”“测绘难”等问题，为建筑物立面测量提供了一种全新的手段，具有很高的适用性，对于旧城改造、建筑物施工测量等具有较高的适用性。参考文献 1 杜丽美，连玮 基于三维激光扫描的高层建筑物重构研究 J 激光杂志，2020，41(5):8285 2 张立伟，刘鹏飞，李冠 三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究 J 北京测绘，2017(S2):6872 3 胡玉祥，李勇，张洪德等 地面三维激光扫描技术在建筑物立面测绘中的应用 J 城市勘测，2019(3