曹君 吕丽平

摘  要：2019年10月，第七届世界军人运动会即将在武汉举行。为展示城市魅力，武汉市正在进行建筑物立面整治工作。本文结合三维激光扫描技术，探索建立了一套建筑物立面信息采集与数据处理方法，该方法可以有效地解决传统全站仪测量方法中存在的作业复杂、项目工期长的问题，实现了立面整治数据的快速采集、处理与成图。

关键词：三维激光扫描;立面信息获取;数据采集

中图分类号：P234.4       文献标识码：A 文章编号：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环。而建筑的外立面，可谓是城市的封面，封面是否吸引人，很大程度上决定了人们打开这幅城市书卷的兴趣。2019年10月，第七届世界军人运动会即将在武汉举行，为了向来自世界各地的选手展示武汉这座城市的魅力，武汉市正在进行城市环境综合整治提升工作，建筑立面整治是其中的重要组成部分。

通过一定的技术手段获取立面数据、统计工作量是立面整治工作的基础。传统测量方法由于效率低、工期长，无法满足快速成图、统计成果的需求，快速获取建筑物立面数据信息，并进行数据处理获得建筑物各立面图，成为影响建筑物立面整治工作效率的关键因素之一。

为解决这一问题，本文对当前测量领域的研究热点之一——三维激光扫描技术进行了探索，并总结了一套建筑物立面信息采集与数据处理方法，并结合天河机场及其附属建筑物立面测量的实际项目进行了实践，结果表明基于三维激光扫描技术的建筑物立面信息获取方法速度快、精度高，能够满足立面整治工作快速高精度采集、处理、成图的需求。

1  三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，它能够快速高效地获取高精度的三维数据，并建立三维模型，又被称为“实景复制技术”。它利用激光测距的原理，记录被测物体表面大量密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。与传统测量手段相比，三维激光扫描技术具有如下优势：（1）非接触测量。三维激光扫描技术采取非接触扫描目标的方式进行数据获取，无需架设棱镜，不需要对扫描目标物体进行任何表面处理，物体表面的三维数据被直接采集，数据真实可靠，可以用于获取危险目标信息，以及人员无法到达的地方的数据;（2）数据采样率高。目前，三维激光扫描仪采样速率最大可达到百万点/秒，这是传统单点采集的测量方式难以比拟的;（3）全天候作业。三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源，通过探测采集主动发射的激光回波信号来获取目标物体表面的数据信息，因此扫描的过程受环境和时间的影响小，可全天候作业，有效工作时间长、工作效率高;（4）高分辨率、高精度。三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，点云分辨率高，单点精度可达2mm;（5）可与数码相机、GPS系统配合使用，信息获取更全面、准确。数码相机的使用增强了目标纹理和色彩信息的采集能力，使扫描获取的目标信息更全面豐富。GPS定位系统的应用则进一步提高了测量数据的准确性。

2  基于三维激光扫描技术的建筑物立面信息获取方法

基于三维激光扫描技术的建筑物立面信息获取方法一般分为如下几个步骤：（1）现场踏勘与数据采集;（2）点云拼接;（3）噪声剔除与点云分割;（4）格式转换与导出;（5）立面绘制;（6）面积统计;（7）图形整饰与输出。本文以Leica P30三维激光扫描仪、Cyclone 三维点云处理软件和AutoCAD制图软件为例，对基于三维激光扫描技术的建筑物立面信息获取方法详细描述如下。

2.1  现场踏勘与数据采集

对测区进行现场踏勘，并结合实际情况选择测站点。一般而言，为保证后期数据处理工作的顺利进行，在数据采集过程中需要遵循如下原则：（1）采集目标位于激光扫描仪扫描范围以内;（2）相邻两侧站间扫描点云需有明显重叠;（3）需实时绘制测站点布设草图，并拍摄现场照片。

2.2  点云拼接

受视线遮挡和扫描仪自身扫描距离限制等因素的影响，往往需要布设多个测站，才能获得测区范围内建筑物的各个立面数据，为获得建筑物整体布局等信息，需要对各测站所采集的点云数据进行拼接，其技术流程如下：（1）数据导入：在Cyclone软件中新建数据库，并导入外业原始观测数据;（2）点云拼接：在Cyclone软件中通过点云拼接功能，对原始点云数据进行旋转平移操作，实现点云数据的两两对齐，并进行拼接和误差检查，重复上述过程，直至同一个区域内各建筑物所有点云拼接完成。

2.3  噪声剔除与点云分割

点云拼接完成后，各区域点云数据往往可达百亿级，为提高数据处理效率，需要剔除各区域点云数据中的无用点云，并进行点云分割，获得简洁直观的建筑物平面图及各立面图信息，具体技术流程如下：（1）数据剔除：对已拼接好的点云数据进行旋转、平移、缩放，切换到合适的视角，删除无用的点云数据，如道路、树木、车辆等非目标地物，对数据进行精简，提高数据处理效率;（2）点云分割：调整视角，依次在正投影和各个侧面投影中，通过多边形切割工具，对剔除了无用数据的点云进行分割，将建筑物俯视图及各个立面图点云数据存储为单独的文件。

2.4  格式转换与导出

（1）尺寸量测：在各个立面的点云文件中，对建筑物关键尺寸信息进行量测，如墙体轮廓点、门窗角点等，获取各立面墙体、门窗和其他地物尺寸信息，并进行标注;（2）格式转换：将做好尺寸量测与标注的各立面信息，切换到正视视角，并缩放至全图，在主界面中将文件导出为图片文件。

2.5  立面绘制

（1）轮廓描绘：将Cyclone中导出的图片文件导入AutoCAD，依次新建墙体、门、窗、屋檐、标注等图层，并通过多段线、矩形等工具，分别沿着图片中各角点绘制建筑物外围、门、窗、屋檐等轮廓线;（2）尺寸缩放：在CAD中量测建筑物各立面主要轮廓的尺寸数据，并与Cyclone中标注的尺寸进行对比，计算比例因子，并对图形进行整体缩放，将各立面整体缩放至实际尺寸。完成尺寸缩放后，即可进行尺寸标注，标注对象包括墙体、门、窗宽度和高度等。

2.6  面积统计

为统计各立面墙体面积，需依次对墙体、门、窗面积进行汇总。依次选择墙体、门、窗等图层，通过CAD要素合并功能，对同一图层范围内的同一类型要素进行合并，并依次对门、窗、墙体等要素的总面积进行统计，记入总面积统计表。

2.7  图形整饰与输出

对建筑物的立面图形进行整饰，插入图名、图框、单位、比例尺、面积表等信息，调整各要素颜色，确保成图美观大方、实用规范，最后输出为dxf图形格式。

3  实践研究

为验证上述方法的有效性，本文以武汉天河机场及其附属建筑物立面测量项目为依托，开展了实践研究。

3.1  项目概况

天河机场位于湖北省武汉市黄陂区，占地总面积约12平方公里，机场及其附属建筑物共120余栋，均为总层数少于4层的低矮建筑，分布较为稀疏，因此采用传统测量手段存在布设控制点工作量大、周期长等问题，而新兴的无人机航测技术也由于机场周边禁飞而难以施行。因此，通过充分调研、科学论证，本文基于三维激光扫描技术对该项目进行了探索实践。

3.2  實验结果

本文采用Leica P30三维激光扫描仪1台、Leica Cyclone三维激光点云处理软件1套和AutoCAD 制图软件3套进行项目实践，并最终输出各建筑物立面图及其面积统计表。

以上成果全部顺利通过验收，成功应用于天河机场立面整治工程，为工程决策、实施、验收提供了有力支撑。这也说明了本文方法的有效性，能够满足立面数据的快速采集、处理与成图的需要，且精度也符合相关规范要求。

4  结  论

本文对基于三维激光扫描技术的建筑物立面信息获取方法进行了深入探索，并结合军运会背景下天河机场及其附属建筑物的立面整治实际项目进行了实践研究，获取了各建筑物立面图形，及各要素面积信息，为天河机场周边建筑物的立面整治工程提供了科学支撑。从实验结果来看，本文所提出的方法能够满足立面数据的快速采集、处理与成图的需要，精度也符合相关规范要求。

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作者简介：曹君（1987-），女，汉族，湖北武汉人，讲师，硕士，主要从事测量专业教学与研究工作。