第35卷第1期2021 年1 月
北京测绘
BeijingSurveyingand Mapping
Vol35 No1January2021
引文格式：黄敏•三维激光扫描技术在建筑立面改造中的应用北京测绘，2021,35（1）5660. DOI ：10. 19580/j. cnki. 1007-3000. 2021. 01. 012
三维激光扫描技术在建筑立面改造中的应用
黄敏
（武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉430079）
［摘 要］当前，如何高效、准确地获取建筑立面图成为在城市的快速更新与发展过程中的热点。三维
激光扫描技术因其高效率和高精度特点，日益成为建筑立面改造的首选技术。本文结合项目实例，分析总结
了三维激光扫描激光技术在应用于建筑立面改造项目中的一般流程，并介绍了三维激光扫描测量系统原理、 涉及的硬软件技术和关键扫描数据的处理方法，可为同类项目提供参考。 ［关键词］ 三维激光扫描；建筑立面改造；点云处理
［中图分类号］P237 ［文献标识码］A ［文章编号］1007-3000（2021）01-0056-050 引言
三维激光扫描技术，又称为“实景复制技 术”。因其可以快速高效地获取物体表面的点云 数据，将物体表面的几何空间特征、反射率和纹
理等信息以高精度、高分辨率、高密度的形式存 储记录，故又被誉为“测绘领域继全球定位系统
（Global Positioning System,GPS ）技术之后的一- 次技术革命”［13］。与传统的单点测量的低效测 量作业方式相比，三维激光扫描技术的运用使得
测量进入面扫描的新局面。可以更加真实、包容 地反映出物体本身的信息。随着三维激光扫描磁卡门禁机
技术的不断发展，三维激光扫描仪的自动化程度 越来越高，操作性得到大大提升，绝大多数激光
测量扫描系统都是自带激光光源，使得测量作业
摆脱了自然光照的影响，还原物体信息的能力大 大增强［5］。
在建筑立面改造中，使用三维激光扫描技术 可以在不到一分钟内就获取到建筑的立面信息。
这是传统全站式测量所无法比拟之处，同时也是
近年来越来越倾向于使用三维激光扫描技术来 完成建筑立面改造的原因。本文在概述三维激
光扫描测量系统原理的基础上，以苏州市某路沿 街立面改造为例详细说明三维激光扫描技术在
［收稿日期］2020-05-07
［基金项目］国家自然科学基金资助项目（41871314）
［作者简介］
E-mail ：
921964217
@qqcom
取卵针
黄敏（1995—
），男，江西赣州人，硕士在读，研究方向为三维激光扫描技术与模型优化。
建筑立面改造中的优势。
1三维激光扫描测量系统原理
三维激光扫描测量系统主要由三维激光扫
描仪模块、控制器模块、计算机模块、电源供电系 统以及系统配套软件等构成［］。三维激光扫描 仪作为三维激光扫描测量系统的主要组成部分,
是由激光收发器、由马达控制可旋转的反射棱 镜、时间计数器（相位差计算器）、控制电路板、微 处理器、CCD 相机以及软件等组成。三维激光扫
描头模块的激光发射器通过反射棱镜周期性地 发射激光，激光接收器接收测量对象反射回来的 激光信息，控制器模块内的距离测量单元根据激 光收发器获取激光传输过程的相位差（或时间 差）信息以及记录测量对象反射率信息，扫描控 制单元控制激光的水平（垂直）扫描模式［7］。最
后在计算机模块进行相应的数据处理与存储，得 到物体三维坐标、反射率等信息（图1） o
三维激光扫描技术的基础是三维激光测世巨 技术［9］。按照激光测距的原理，测距方式主要 有脉冲距法、相位测距法、激光三角法等类型。
当前，测绘领域所使用的三维激光扫描仪，主要
采用基于脉冲法来进行长距离测距和采用相位 干涉法和激光三角法来进行短距离测距。脉冲
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图1三维激光扫描测量系统原理
2技术方案总结
在建筑立面改造中，三维激光扫描技术方案一般为：根据测量项目的需要，前期尽可能多地收集到项目资料并初步制定测量项目规划。进入测区进行实地踏勘以验证项目规划的可行性，然后分外业和内业两部分进行三维激光扫描作业。最后得到项目所需的建筑立面成果图。本文技术路线如图3所示。
法测距的测程可达十几千米，适合于大范围的矿
山测量；相位干涉法和激光三角法的测距精确度可到亚毫米甚至微米级，适合于文物保护和桥梁检测。
三维激光扫描测量系统获取的原始数据，即为测量对象表面的三维坐标。如图2所示，三维激光扫描仪在进行测量时，往往以其仪器自身定义的几何中心作为坐标原点，仪器天顶方向为犣轴,X
轴处于反射棱镜的水平扫描平面内朝向仪器外部，犢轴通过右手定则确定。通过激光传播的脉冲差
（或相位差）计算得到仪器坐标系原点O到测量对象犘的距离犔。而激光经由扫描控制单元控制的反射棱镜时，水平方向的旋转对应图示的水平角度卩，垂直方向的旋转对应图示的天顶角度0。据此, 可以得到测量对象坐标的计算公式为[10]:
烄X=L•cos0•cos®
烅Y=L•cos0•sin®（）
Z=L•sin0
点云数据处理
王
数
据
导
出
与
转
换
一
土
点
云
数
据
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哈芬槽道准
一
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王
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立面出图
图3本文技术路线
3应用案例
3.1项目实施方案
对于苏州市某路沿街立面建筑改造项目，因项目要求立面平面精度优于5cm，故采用Z+F IMAGER5010地面三维激光扫描仪结合Trimble Real W orks软件的方法实施。
Z+F IMAGER5010地面三维激光扫描仪是世界上第一款扫描速度达到百万级点云每秒的三维激光扫描仪，基于相位式的测距方式最高可达到0.1mm的分辨率，光束直径大小约3.5mm @1m，其测程为0.3〜187m o52s完成一个测站即满足项目立面测量要求，可更换的内置电源设计保证了测量的连续性与便携性。—块电池约1.2kg可供连续扫描作业约4h。该扫描仪的激光发射单元提供320°（垂直）X360°（水平）的宽泛扫描视野，可以有效解决沿街建筑出现的高楼以及植被覆盖遮挡问题
。
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Trimble RealWorks软件能够很方便地处理大多数主流的三维激光扫描仪的原始数据，并进行点云切片，然后无缝衔接导入到CAD中进行立面测图。从高精度的三维激光点云数据到建筑立面图生成的过程，毫米级精度损耗远远低于项目要求的5cm。
3.2外业数据采集
无动力清扫器
外业数据采用Z+F IMAGER5010地面三维激光扫描仪对项目建筑立面进行全要素几何空间数据扫描。仪器安装简单，只需固定于脚架之上，无需标靶，采取自由设站。但仪器自携带基座可供整平，若扫描现场整平仪器，则点云配准后便不再需要重新定义水平方向。
为了在点云处理阶段尽可能减少人工干预，提升全自动配准的精度，在扫描时需要注意：
(1)尽可能选取一个较大的入射角作为测站位置，扫描建筑立面。
(2)相邻立面的扫描应保证有30%以上的重叠度。
(3)扫描设置为1mn—个测站，故实际有效测程常常为50〜80m。
(4)沿街建筑立面扫描作业时行人较多，在有行人遮挡的情况下，测站扫描结束后及时通过扫描预览图查看扫描质量，决定是否需要补测，以保证数据的完整性。
(5)建筑转角处两侧需设置测站，增加点云重叠度。
(6)做好测站分布记录，以便随时查看测站分布的合理性，以便于适当增加(或减少)测站密度，尤其是在对面沿街建筑立面扫描时可根据实际情况判定测站增减。
3.3点云数据处理
点云数据处理主要包括点云数据导出与转换、点云数据配准、点云数据去噪、点云数据精简和点云数据切片。
3.3.1点云数据导出与转换
Z+F IMAGER5010地面三维激光扫描仪有自身的数据管理和存储格式•zfs，使得扫描测量得到的数据文件较小。在本次实例中，每站点云文件通常小于50MB，共扫描得到101站有效原始数据，整个项目原始数据文件大小为4.14GB。仪器本身内置存储空间为64GB，实际可用空间约为55GB。可通过以太网连线导出或优盘连接方式导出数据。
智能操作票
Trimble RealWorks软件支持.tzf的数据格式作为三维激光扫描原始数据格式来处理，可以激活配准模块实现点云数据的全自动配准。而从其他主流三维激光扫描仪获取的数据只需导入数据后，再自动进行转换数据格式即可达到同等效果，女口Z+F、Riegl、Faro、Leica、Topcon。
3.3.2点云数据配准
无目标全自动配准功能是Trimble Real-Works软件相对于其他点云处理软件所不具备的巨大优势。但是在实际生产项目中，若仅使用无目标全自动配准就将所有101有效测站拼接一起，就需要完美的保持测站布置密度，保证点云重叠度在30%以上。在本例沿街建筑立面改造项目中，因部分测站数据未能满足无目标全自动配准要求，故而耗费一晚上时间进行全自动配准后，自动分为8个配准组。这时需要再手动将非基准配准组拼接在基准组之上。
事实上软件的全自动配准功能和手动配准功能都是基于迭代最近点(Iterative Closest Point)算法来实现点云直接的配准。在全自动配准模式下，软件首先拟合各测站点云内的平面，然后基于平面特征信息采用最小二乘法的最优配准方法，按照扫描测站顺序两两配准，在保证重叠率的条件下能够实现，但是在测站数较多的情况下，重复性的计算便会呈几何倍数的削弱计算机的计算能力，因此有必要提前分组，以20个测站为一组进行全自动配准，便在30mm内完成配准工作。对于未自动配准到基准组上的测站点云采用手动配准的方式，只需在大致点位选择对应关系点对3组，每选取一组关系点对的同
时软件都运用迭代最近点算法来计算最优刚体变换，与全自动配准不同的是，此时我们用目视的方法检查配准的收敛精度。
在全自动配准模式下，点云配准结果以初始时选定的基准测站为界，将所有的测站点云数据分为基准测站分组、非基准测站分组、未配准分组。此时的点云间整体间误差只是简单的所有测站点云配准误差的加权标准差，并不具备测量意义。
将所有未配准到基准测站分组的点云通过
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手动配准结合无目标全自动配准的方式配准点云数据，最后得到基于扫描的点云间整体误差为11.3mm。满足项目测图要求。
配准后建筑立面点云测量可知实际沿街立面长度约为1157.6m。
3.3.3点云数据去噪
借用图像处理的知识，我们把目标点云外的所有错误或者额外的点都归类为噪点，是在三维激光扫描过程中不希望存在的副产品。Nimble R-alWorks软件提供基于室内和户外的点云自动分类。对于室内
自动分类，若存在多楼层点云则必须手动分割楼层，以便于得到分割后的单独点云，如地板、栅格地板、天花板、墙体等。对于户外自动分类，则可以直接选择设定想要分割的单独点云，如地面、建筑、杆柱与标识、电力线、高植被等。
对于软件的自动分类功能，一定程度上减轻了去噪的工作量，但是依旧有矮小的围墙、沿街部分店铺、植被遮挡的部分建筑等不少的建筑被遗漏，不适合直接进行操作，如图4所示。仍旧需要手动花费少量时间对点云数据去噪，以便获得全部沿街立面点云数据。
图4点云自动分类识别建筑点云
荧光球3.34点云数据精简
原始的点云数据量非常庞大，每一测站数据约600万量级的点云，全部101测站点云数据达到亿级的海量点云数据，相当影响点云处理效率。此外，为了保证拼接效果，总会有大量的重叠点云，即使在点云去噪之后依然还有亿级的点云数据。为此有必要对数据进行精简，一般通过在配准阶段进行取样和测量出图阶段取样来精简数据。
3.35点云数据切片
根据项目需要，沿街建筑立面改造以幢区分，紧挨着的建筑则为同一幢，因街道或道路分开的建筑则
视为另一幢。因此有必要对点云数据进行切片，以便于快速得到单幢建筑的立面点云。在定义切平面时，Trimble RealWorks软件提供多种法线定义模式，常用的如根据坐标轴、自由选点拟合平面、三点确定平面、与屏幕垂直的平面。然后确定切平面位置，通过偏移和指定坐标点位方式可以很容易地完成。最后定义切面，设置厚度，若建筑立面跨度较大，需适当设置间隔进行多切片以保留完整的立面切片。
3.4建筑立面出图
在三维激光点云处理完成后，建筑立面出图有三种常用方式：
(1)在Trimble RealWorks软件内直接利用点云切片数据通过折线绘制方式，锁定投影面后绘制立面图，最后输出CAD实体，后续在CAD 中进行标注，整理出建筑立面图。
(2)在Trimble RealWorks软件内基于切片或者原始点云数据，选定投影面生成对应立面的正射影像图，导入CAD中作为底图参照进行建筑立面图绘制。
(3)在Trimble RealWorks软件内将点云切片数据导出为CAD可识别的DWG格式文件，然后在CAD中可以很方便地进行建筑立面图绘制。
最终绘制得到建筑立面图如图5所示。
4结束语
在沿街立面建筑改造的实际案例中，运用三维激光扫描技术可以很容易、高效率、精确地完成立面图绘制。本文使用Z+F IMAGER5010地面三维激光扫描仪，不到一分钟的扫描时间就可以将测站全景视野范围内的建筑全要素空间几何特征信息，以三维坐标和反射率为主要形式保存于计算机内，具备简单高效直观的优势，是传统测量所无法比拟的。今后，运用三维激光扫描技术进行建筑立面改造将成为首选技术。
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Application of3D Laser Scanning Technology in
BuildingFacadeReconstruction
HUANG Min
(School of Remote Sensing and Information Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei430079,China) Abstract:At present,3D laser scanning technology is increasingly becoming the preferred technology for building facade reconstruction due to its high efficiency and high precision.This paper took a project as examples,summarized the general proce ss of3D laser scanning technology applied in building facade reconstruction projects,and introduced thehardwareandsoftwaretechnologesandkeycontentproce s ng methods，whchcouldprovdereferencesforthe
smlarprojects.
Keywords:three dimensional(3D)laser scanning；building facade reconstruction；point clouds processing
豫公网安备41160202000603
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