基于三维激光扫描技术的建筑物立面测量方法研究
辛修建，谢峰震，刘
盟
新疆乌鲁木齐830023）（新疆工程学院，
摘
要
建筑物立面图是在与建筑物立面平行的铅垂投影面上所做的投影图，是城市规划、建筑立面整治及建筑
物日照分析的必备材料之一。建筑物立面图的三种传统测量方法都存在操作复杂、费时费力的缺点，因此提出一种基于三维激光扫描技术的建筑物立面图的测量方法，并采用三维激光扫描仪进行了单个建筑物立面图的测量，对数据进行了分析，精度合格，此方法可以应用到立面图的测绘中。
关键词三维激光扫描；建筑物立面图；点云；精度；测量方法
0引言
建筑物立面图是在与建筑物立面平行的铅垂投影面上
1.2三维激光扫描测量原理
三维激光扫描仪根据获取数据的不同可以分为相位式和脉冲式，相位式和脉冲式都是获取仪器到目标点位的距离S的方法。三维激光扫描仪内的精密时钟通过控制编码器来实时测量激光光束的Y轴扫描角度值和Z轴扫描角度值，通知记录扫描点的反射强度I，与此同时扫描仪内的相机将会获取影像的实体信息，得到扫描点位的颜色信息。三维激光扫描仪在工作时采用的自由坐标系统，X轴位于横向扫描面内，Y轴位于横向扫描面内并且与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直构成右手坐标系如图2。
所做的投影图，简称立面图。建筑物立面图是城市规划、建筑立面整治及建筑物日照分析的必备材料之一。建筑物立面测量的传统方法有三种：一是手工测量方法，也就是利用挑杆、挂尺、钢尺、卷尺的配合进行测量；二是采用近景摄影测量方法进行测量，也就是通过解算数码相机的内、外方位元素，以数字方式存储影像为基础，在计算机上进行内业数据处理，通过计算、平差获取目标空间坐标的测绘方法；三是工程测绘方法即利用全站仪获取建筑物的三维坐标然后用相应软件进行制图。这三种方法存在操作复杂，费时费力等问题。
三维激光扫描技术是近些年发展起来的可以快速、准确地完成建筑物三维模型建立的一种测量技术。三维激光扫描技术可以获取目标的点、线、面、体三维实测数据，并可以在获取点云数据的同时完成建筑物纹理的获取。该技术在建筑物立面图的测绘中应用可以克服传统测量中的局限性，并可以快速、大量地采集建筑物立面图的信息，完成大量建筑物立面图的测量。
1三维激光扫描技术的测量原理
1.1三维激光扫描系统
图2三维激光扫描仪自由坐标系统
点位的坐标为：X=Scosαcosθ
Y=SsinαcosθZ=Ssinθ
三维激光扫描是由三维激光扫描仪、数据处理软件以及附属设备构成的一个完整系统。三维激光扫描仪包括了激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、彩色CCD相机、控制电路板、微电脑和软件等部件，其作用是获取目标点位的三维坐标以及目标的纹理色彩。其工作原理如图1。
2.1踏勘选点
2基于三维激光扫描技术的建筑物立面测量方法
根据测量工作的工作原则和程序，第一步就是踏勘选点，同样地采用三维激光扫描仪进行点位坐标的获取之前也要做踏勘选点。在三维激光扫描作业中踏勘选点要注意以下几点：①要以最少的测站扫描出建筑物的全部空间位置；②根据已有控制点的位置、建筑物的空间位置以及扫描的精度来确定测站点的位置；③要绘制测区草图，如测区较大要根
图1三维激光扫描系统工作原理
据实际情况对扫描建筑物进行拍照。
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■标准与检测
三维激光扫描仪无法一站采集整个建筑物所有点的空
间坐标，需要分测站测量，因此需要布设控制点用于数据处理中数据拼接和坐标转换流程。也就是说控制点的作用有以下两点：一是用于多测站点云数据的拼接；二是用于将自由坐标系统下的点云数据转换到绝对坐标系统下。2.2外业扫描作业
首先在选择的测站点上架设仪器，打开并初始化仪器，开机后根据测量作业的要求，设置相应的参数如扫描间隔等。作业过程中如果仪器因温度过高发生报警时，应立即暂停扫描作业，待仪器温度降到工作允许范围内后重新开始工作，因此在测量开始前要检查仪器温度是否在工作范围允许值内。单测站扫描完成后，重新检查扫描的参数设置是否正确，扫描数据是否保存。然后依次在每个已选测站上进行扫描直至将整个建筑物全部扫描，然后在室内将所有数据导出。2.3数据处理
三维激光扫描仪获取的点云数据如图3。
图3点云数据示例
根据获取数据时设置的获取方式不同，点云数据可分为：阵列式点云、线扫描式点云、面扫描式点云和完全散乱点云。其中阵列式点云数据的特点是按照行×列排列，其点云数据的拓扑关系就可建立；线扫描式点云和面扫描式点云属于半散乱式点云数据，其拓扑关系部分可以建立；完全散乱点云数据拓扑关系完全不能建立。目前绝大部分的三维激光扫描系统的扫描方式都是线扫描，因此得到的数据也是线扫描式点云，其获得的点云数据具有一定的拓扑关系。
点云数据主要具有以下特点：
（1）数据量大：三维激光扫描仪为360度扫描，且扫描间隔较小，因此一个测站点获取的点云数据就可高达几十万甚至上百万个空间点的三维坐标。
（2）密度高：三维激光扫描仪可以设置获取数据时的距离间隔，如FAROFocus3DX330系统可以设置的最小距离间隔可达1mm，即每隔1mm获取一个测量点。
（3）具有光学特征信息：三维激光扫描系统不仅可以获取点位的空间三维坐标，也可以接收和识别反射回来的激光的强度，而且可以获取点位的色彩信息。
点云数据处理流程见图4。
·22·
2019年
图4点云数据处理流程
2.4立面图绘制
在点云数据的基础上绘制建筑物立面图有以下两种方法：（1）三维模式下的特征点的提取（三维量测）。将拼接并处理合格的建筑物点云数据导入到AtuoCAD软件中，在立体观测的模式下手动提取建筑物的特征点、线、面，然后根据建筑物立面图的绘制要求绘制出立面图。此方法运用过程中，由于点云数量庞大，特征点的选取的准确性受到主观判断的制约，且转角特征点的选择要经过反复变换观测视角才能进行确认，工作效率较低。
（2）平面正摄投影描图。该方法和方法（1）不同的是测量员不需要反复变换观测视角就能确定特征点，提高了工作效率。该方法是将点云数据进行主平面投影，即将某一平面的点云数据做正摄投影，锁定平面进行编辑，避免了非该平面内的点云数据的干扰，将投影后的点数据直接导入到AtuoCAD软件中，还可以降低硬件设备的要求提高数据处理的速度。
3精度评定
在建筑物立面测量方面，边长精度决定着最终立面图的
精度，所以只进行边长定位精度评价即可。
在三维激光扫描精度的评价中，采用的是边长对比分析方案，即将在点云数据中量取的特征边的长度和采用2″级全站仪测量出的特征边的长度做对比分析。该方法可以成为三维激光扫描仪边长定位外部精度符合评价方案。采用该方案进行试验，得出三维激光扫描仪和高精度传统测量仪器之间的精度对比，从而可以得出三维激光扫描仪获取的点云数据的精度水平，结果直观可信。
采用2″级全站仪和FARO三维激光扫描仪对同样的10条边进行长度观测，每条边观测6次，得出数据如表1，表2。数据对比如表3。
第4期（总第216期）
表1三维激光扫描仪测量边长
标准与检测■
m
边号122.90422.90522.90322.90622.90122.904
229.42029.42429.42229.42129.42329.42229.422
319.91619.92119.92019.91519.91919.91719.918
422.89722.99022.89422.89922.89522.89722.897
521.24221.24521.24821.24421.24521.24621.245
615.78915.79015.78915.78815.78515.79315.789
717.57717.57517.5817.57517.57717.57917.577
82.0502.0482.0462.0452.0512.0482.048
95.9315.9345.9375.9365.9325.9345.934
102.0682.0702.0662.0672.0692.0682.068m
测量数据
平均值22.904
表2全站仪测量边长
边号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
102.0682.0732.0742.0722.0702.0692.071m
22.90522.904
测量数据
22.89822.90222.90122.902
平均值
22.902
29.43329.43729.43529.44029.43529.43029.435
19.78419.78819.78619.78719.78619.78519.786
22.82122.82522.82322.82722.82322.81922.823
21.22321.22821.22721.22621.22321.22121.225
15.73015.73415.73615.73315.72815.73115.732
17.57617.58017.57617.57917.58017.57717.578
2.0422.0462.0412.0452.0472.0432.044
5.935.9295.9245.9285.9265.9255.927
表3全站仪和三维激光扫描仪数据对比
边号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
102.0682.071-0.003
激光扫描仪全站仪求差
22.90422.9020.002
29.42229.435-0.013
19.91819.7860.132
22.89722.8230.074
21.24521.2250.020
15.78915.7320.057
17.57717.578-0.001
2.0482.0440.004
5.9345.9270.007
由对比结果可知三维激光扫描仪完全可以达到建筑物立面图的测图精度。
工程勘察,2009（S2）:447-452.
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作者简介：辛修建（1992-），男，硕士研究生，助教。
4结论
三维激光扫描技术具有获取数据速度快、作业效率高、
绘图直观等优点，且测量精度完全可以满足测图需要。三维激光扫描技术不仅可以运用到独立建筑图的立面图测量中，还可以运用车载三维激光扫描仪进行大量的建筑物立面图的测绘工作，提高建筑物立面图的测绘效率。参考文献
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作者简介：杨火生，1973年出生，男，大学本科学历，工学学士学位，土地规划利用工程师职称，现主要从事城市土地集约利用评价、城镇土地基准地价修订、农用地分等定级、土地、房地产价格评估工作。
集约使用现状，并为改进工作提供数据支持。参考文献
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