建筑设计·理论2021年11月第18卷总第409期 冷 鹏
（江西核工业测绘院集团有限公司，江西南昌 330038）
摘要：传统建筑平面与立面测量存在效率低、外业工作量大等不足，而手持实景扫描仪具有实景复制能力强、效率高等优势。基于此，本文以一栋六层建筑为研究对象，从数据采集、数据处理、成果绘制等过程详细介绍了一套基于手持实景扫描仪的建筑平面、立面测量方法，并将测量成果与手持激光测距仪测量建筑边长进行精度对比分析，同时与其他测量方法进行效率对比分析。研究结果表明：手持实景扫描仪可以快速获取建筑室内、室外点云数据，可以高效快速进行建筑立面、平面测量，精度误差为0.022 m，满足项目精度要求，且与传统方法相比，工作效率也大幅度提升。 关键词：手持实景扫描仪；点云数据；平面测量；立面测量
［中图分类号］TU198 ［文献标识码］A DOI：10.19892/jki.csjz.2021.32.22
液压式浮球阀
Research on Measuring Method of Building Facade Based on Handheld Scanner
Leng Peng
(Jiangxi Nuclear Surveying and Mapping Institute Group Co. Ltd., Nanchang Jiangxi 330038, China)
Abstract: Traditional building plane and facade measurement has the disadvantages of low efficiency and large field workload. Handheld real scene scanner has the advantages of real scene replication ability and high efficiency.Based on this, this paper takes a six-story building as the research object,from data acquisition, data processing and results drawing process, introduces in detail a set of architectural plane based on handheld imaging scanner, measurement method, and the measurement results and the hand-held laser range finder to measure architecture side length accuracy comparison analysis, efficiency compared with other methods of measuring analysis at the same time. The results show that handheld real scene scanner can quickly obtain the indoor and outdoor point cloud data of buildings, and can efficiently and quickly measure the building elev
ation and plane. The accuracy error is 0.022m, which meets the requirements of project accuracy. At the same time, compared with the traditional method, the work efficiency is also greatly improved.
Keywords: hand-held live-action scanner; point cloud data; plane measurement; elevation measurement
三维激光扫描系统1引言
建筑平面图、立面图在建筑工程中的全生命周期设计、建设与改造方面都有着很重要的作用[1]。在设计施工阶段，需要对现场进行勘查、测绘，以此为基础进行建筑设计，此外施工还需要进行建筑放样等[1]；在建筑竣工后，需要进行竣工测量，以判断建筑的每层建筑面积是否符合设计要求等[2]；在建筑改造中，需要减小建筑立面测量，为建筑立面改造提供设计基础数据[3，4]。传统的建筑测量方法都是采用全站仪或者激光测距仪进行测量，不但作业效率低，而且外业工作量大，且都是单点测量，对于一些异形建筑使用传统方法基本难以开展测量[3]。随着三维激光技术的发展，三维激光扫描仪改变了传统的以点形式采集数据的方式，由于其具有实景三维复制能力，大大提升了数据采集效率，不少学者将其运用到建筑外立面测量、竣工测量、地籍房产测量等方面[3，4]。尽管架站式三维扫描仪扫描效率高，但对于大型建筑，当每层的每个房间都需要扫描时，架站三维激光扫描仪由于需要搬站
数量多，故效率较低。而手持实景三维激光扫描仪可以在行走过程中采集三维点云数据，且精度在2 cm左右[5]，为建筑测量、房产测绘等提供了新的解决方案。
综上所述，本文以一栋六层建筑物为研究对象，通过使用徕卡BLK2GO手持实景扫描仪获取建筑室内、室外三维点云数据。基于获取的实景三维点云数据，开展建筑平面、立面测量方法研究，并对测量成果进行精度验证及测量效率对比分析。
2总体技术方法
实景扫描仪房产测绘的技术流程如图1所示，主要包括实地踏勘、数据获取、数据处理三部分。在接到项目任务后，需要进行实地踏勘。观察测区情况后，进行扫描仪行走路径规划，同时需要清理行走路径上的障碍物，确保扫描过程能够平缓行走采集数据。数据获取主要通过实景扫描，在数据采集前需要对扫描仪设备进行检查，如检查电池电量、激光头是否松动等。在开始作业前需要将扫描仪放置水平位置进行静态初始化，初始化完成后按照规划好的路径进行实景三维激光点云数据采集。数据
推板炉基金项目：福建省建设科技研究开发项目（2020-K-59）；厦门市科技计划项目（3502Z20203060）。作者简介：冷鹏（1993-），男，硕士。研究方向：激光雷达原理与应用、遥感应用等。
建筑设计·理论 2021年11月第18卷总第409期
处理主要是指检查点云数据是否完整，如果有未扫描到的区域则需要重新对其进行扫描。确保数据完整无误后，将扫描仪中的数据导出，通过软件进行激光点云数据拼接去噪等预处理，然后进行平面投影，绘制建筑结构平面图、立面图。
3数据
3.1激光雷达原理3.1.1设备简介
本文数据采集使用的是徕卡BLK2GO 手持实景扫描仪，该扫描仪式集成了激光雷达、SLAM、全景相机、IMU 等先进技术，并将激光SLAM 与视觉SLAM 进行融合，大大提升了手持实景扫描仪的数据获取精度。该扫描仪设计轻巧，以双轴激光扫描，点云采集速度高达42万点/秒，扫描距离是0.5~25 m，同时集成3台固定全景相机，1台高分辨率相机，像素1 200万，仅以手持的方式就可以快速获取周围环境实景三维点云与全景数据。3.1.2激光雷达基本原理
由于激光雷达工作原理[6]与传统雷达类似，其作用距离方程也相同，表示如下。
（1） 2
22
π4π4π4
T T R P G D
P R R ση=
×××ηA tm ηS ys （1）式中，P R 为接收激光功率（W），P T 为发射激光功
率（W），G T 为发射天线增益，σ为目标散射截面，D 为接收孔径（m），R 为激光雷达到目标的距离（m），ηAtm 为单程大气传输系数，
ηSys 为激光雷达光学系统传输系数，πD 2为有效接收面积（m 2）[6]。
其中，G T 及σ计算方法如下。
σ（3）
（2） 2
4π
T T
G θ=
2
a D
T K λ
θ=其中：
（2）（3）式中，θT 2为发射激光束宽（m），λ为发射激光波长（m），K a 为孔径透光常数，O 为目标散射立体角（°），dA 为目标面积（m 2）
，ρT 为目标平均反射系数。手持实景三维扫描仪是以脉冲式测距，其原理为：通过激光发射器发射激光脉冲信号，由接收器接收目标物反射回来的脉冲信号，通过记录两者的时间来计算距离[6]，其计算公式如下。
1
2
R vt =
（4）
（4）式中，v 为光速（m/s），t 为激光脉冲信号发射到接收目标物返回的激光脉冲信号所经历的时间（s）。3.2外业采集
本文以一栋六层建筑为研究对象，首先对研究区域进行实地踏勘，并根据实地情况规划好扫描仪数据采集路径。以其中一层为例，提前规划好的行走路径如图2所示，
破窗器
确保每个房间都能采集到数据，同时室外环绕整栋建筑进行点云数据采集。然后按照图3所示的数据采集流程进行外业数据采集，在数据采集状态下，同时需要采集影像数据，后期进行点云着，使得导出的点云为彩点云。本文共扫描采集了单栋建筑室外、室内六层的点云数据，采
集总共用时18 min。
由于徕卡BLK2GO 依靠点云SLAM 算法和相机的视觉定位追踪来实现自身定位，在数据采集时，需要注意几点：①数据采集前需要现场勘查，了解测区情况，从而设计最佳采集路线，提高轨迹精度；②在楼梯、隧道、走廊或无明显特征的地物环境中进行数据采集，对SLAM 具有较大挑战性；③在数据采集时需要平稳、缓慢、尽量匀速前进，有利于提高轨迹质量
；④较高的点云密度能够有利于SLAM 的特征匹配和细节展现；⑤在黑暗环境下，视觉定位追踪相机无法获取准确定位。
4方法
数据采集完成后需要根据轨迹数据进行点云解算，拼接、着与去噪等预处理，处理完成后将点云按
照所需绘制的面进行垂直投影，然后进行切片，导入软件中绘制建筑平面、立面图，具体流程如图4所示。4.1点云数据预处理
本文数据处理采用的是BLK2GO 实景三维扫描仪配备的Cyclone REGISTER 360软件进行处理。先将工程数据
图2 室内规划行走路径（图片来源：作者自绘）
实地踏勘
数据获取数据处理
扫描范围确认行走路径规划清理障碍物
扫描仪检查扫描仪初始化激光点云扫描
点云数据检查拼接和去噪绘制平面、立面图
图1 总体技术路线图（图片来源：作者自绘）
图4 建筑测量成图方案流程图（图片来源：作者自绘）
1 min
提前规划好路径
10 s
设备初始化持续行走扫描关机结束扫描图3 外业采集流程图（图片来源：作者自绘）
建筑设计·理论 2021年11月第18卷总第409期
从扫描仪中下载下来，通过Type_c 线连接设备和电脑。打开BLK Data Manager 软件，软件会自动识别到设备，选择扫描的工程文件数据下载至电脑。通过Cyclone REGISTER 360软件新建数据处理工程，并将下载数据导入工程中，设置好参数选项，该软件支持全自动数据处理，可实现数据自动化拼接、点云着。数据自动处理完成后需要检查数据配准质量，对于未配准好的区域进行手动调整。配准
好的数据如图5所示，为减少噪声点的干扰与数据量，对于一些研究区以外的噪声点云数据及一些杂点手动进行删除，最后将处理好的彩点云数据以“e57”格式导出，本次数据自动化处理用时48 min。4.2建筑结构图绘制
建筑结构图绘制主要是指绘制建筑的平面图与立面图。通过采集的点云数据绘制建筑结构图常用的方法有两种，一种是二维绘制，通过软件将需要绘制的面进行平面投影，生产点云二维图片，然后将生产的平面点云图导入AutoCAD 中，根据平面点云图进行建筑轮廓线提取与绘制，如图6所示；一种是直接使用三维点云模型导入软件中进行二维图形特征点、线、面提取，并绘制成二维建筑结构图。
本文建筑结构的绘制采用AutoCAD 加载CloudWord 插件，通过该插件，直接调用Cyclone REGISTER 360软件中预处理完成的点云数据。可以根据项目坐标系需求，自定义坐标系。使用该插件，在AutoCAD 中可以对任意扫描的建筑点云平面、立面进行切片处理，从而根据切片图片绘制建筑立面图与平面图，如图7与图8所示。
5分析与讨论
5.1精度对比分析
为保证成果精度，本文以手持激光测距仪测量建筑边长结果作为验证数据，开展精度对比分析。本文共选取了8条边长进行长度测量，8条边长均匀分布，长度也不一样。为减小偶然误差，每条边长均测量5次，取平均值作为精度验证测量结果。最终各条边长精度对比如表1所示，
表1 点云测边精度对比表 单位：m
序号点云测量边长
测距仪测量边长
相对误差112.99713.031-0.0342 5.017 4.9900.02839.8959.8670.0284 3.287 3.2670.020562.79720.5780.020620.59920.5780.02178.1528.160-0.0088
5.485
5.493
-0.008
注：中误差ms =±
Σ
∆2/n =±0.022 m。
（a）点云立面图
（b）
建筑立面图
图7 点云和立面结构成果图（图片来源：作者自绘）
图5 点云数据展示（图片来源
：
作者自绘）
图6 点云平面图与建筑平面图1（图片来源：
作者自绘）
（b）建筑平面图1
（a）点云平面图1（a）点云平面图2
名 称：四楼平面图
建筑面积：731.02 m 2
N
（b ）建筑平面图2
图8 点云平面图与建筑平面图2（图片来源：作者自绘）
建筑设计·理论2021年11月第18卷总第409期
通过表中可以看出，最大误差为3.4 cm，最小误差0.8 cm，中误差为0.022 m，测量成果精度符合相关测量规范，且本文测量精度与前人研究成果也基本相符。如宁振伟等人 [5]采用手持激光雷达进行农村房地一体测量，以广东肇庆、清远及江苏镇江、新沂4个区域为研究对象，基于采集的点云数据进行农村房地成果数据绘制，并使用全站仪随机测量点位进行精度验证，研究结果表明，4个区域中误差为3.2~4.8 cm，精度满足房地一体测量规范；魏进京[7]采用Frao架站式扫描仪采集点云数据，基于建筑激光点云数据开展外立面测量与制图研究，同时使用全站仪测量建筑边长与基于激光点云数据测量建筑边长进行精度对比分析，研究结果表明两种方法测量边长误差在1 cm以内；另外不少学者还将三维激光扫描技术应用在古建筑保护、大比例尺地形图测绘、地下车位测量等领域中，且研究结果都表明基于激光点云测量的成果均符合相关测量规范，测量精度均在5 cm以内[8-11]。
5.2效率对比分析
本文数据采集时间使用18 min，数据处理3 h（其中点云处理时间48 min，以1 h计，建筑结构图绘制约2 h），精度约2 cm，现场采集人员只需要1人。为进行效率对比分析，本文以架站式扫描仪的工作效率作为对比数据，两者对比情况如表2所示。手持实景扫描仪外业数据采集效率比架站式要高，而在数据处理方面流程基本一致，所以用时相同，架站扫描仪精度更高，但两者都满足项目要求。在本文中，因为需要扫描室内、室外点云数据，所以尽管架站扫描仪扫描速度高达每秒采集百万点。但由于室内每个房间都需要扫描，在每个房间的扫描数据与过道扫描数据中需要增加一站连接
数据，且室内房间较多，因此导致手持扫描仪数据采集效率比架站扫描仪更高，总体上手持实景三维效率要略高于架站式扫描仪。本文未与传统方法进行对比分析，但在已有研究成果中，架站式三维激光扫描仪在建筑外立面测量、地籍测绘、房产测量等领域中，内业数据效率是传统方法的0.8倍左右，但在外业数据采集效率是传统方法的6~8倍，总体成果制作效率是传统方法的4~5倍[5，7-9]。而本项目中手持实景扫描仪效率比传统方法效率要高4~5倍。
6总结
随着三维激光扫描技术与SLAM技术的不断成熟，手持实景扫描仪的集成程度也越来越高，越来越小型化，且测量精度也可以满足项目需求。本文以一栋六层建筑为例，通过手持实景扫描快速的还原建筑室内、室外各个部件的要素，并通过软件直接使用点云数据绘制建筑各个部件的平面图、立面图，同时制作的成果可以用于房产测量、建筑立面改造、装修设计等。本文对成果图进行了精度对比和作业效率分析，结果表明通过使用该技术不但精度高，可以满足项目需求，而且大大提高了生产效率。并且把大量的外业工作转移的内业数据处理，减小了天气因素对测量工作的制约。目前，手持实景三维扫描仪以其轻便、小巧、作业灵活、操作简单的特点，在房屋密集、作业区域狭小的空间具有较大的优势，通过本文的研究成果，为房屋立面测量、房产测绘及地籍测绘等领域提供一种新解决方案。
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技经济导刊，2021，29（13）：73-74．
表2 手持实景扫描仪与常规架站式扫描仪作业效率对比
对比内容手持实景扫描仪架站扫描仪采集时间18 min3 h
处理时间
3 h
（1 h点云处理，
2 h成果绘制）
3 h
蜂窝煤采暖炉
（1 h点云处理，
2 h时成果绘制）
精度2 cm1~2 cm 现场采集人员1人2人
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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