三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用

三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用

张含峰、韩天文、赵胜伟

河南广瀚工程测量有限公司 河南省新乡市 453000

摘要：通过分析三维激光扫描技术与传统测量技术相比所具有的技术优势,研究了如何将该技术投入到建筑测绘应用当中,以发挥三维激光扫面技术自动采集数据、无需草图连线、不受环境及时间约束、高分辨率、高精度等特点。并通过测绘方法选择、扫描成果软件处理、矢量化成果输出等过程实现高效建筑测绘,论证了三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用效果与应用前景。

关键词：激光扫描；三维；建筑测绘

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　ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）技术之后的一次技术革命”。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。

1三维测绘技术

三维测绘实际上就是对目标在空间中的三维坐标进行测量，由此可以明确目标形状、所处位置及具体形态，在此基础上，还能对目标开展三维重建，借助计算机完成目标再现。从当前实际情况看，大部分测绘都采用的是“2+1”维理论，所谓“2+1”理论，其中的“2”指的是二维，能确定目标具体平面位置，而“1”指的是确定目标具体高程。基于“2+1”维的测绘从被发现到现在已经有了几百年的时间，目标已经十分完善；然而，伴随社会与科学技术不断发展，采用这种测绘技术得出的结果已经无法适应社会与经济发展提出的要求。下列实际问题的连续出现使三维测绘目标的实现变得更加迫切。（1）根据“2+1”理论获得地图越来越无法适应人们生活环境。对于根据“2+1”理论获得的地图，它其实就是在空中俯瞰后获得的平面结果，而人类都在地面上生活，看到的均为三维景象，基本无法在地图中进行表达。（2）从城市规划角度讲，特别是对旧城区的改造，现在已经正式开始实行三维规划。对工程测量而言，其主要目的之一是为城市及工程规划提供良好服务，所以为满足三维规划要求，必须尽快引入三维测绘。（3）工程设计方面的问题。目前，已经有工程开展了三维设计，引入了很多三维软件。对于工程设计，需要以现状图为基础开展，在这种情况下，现状图要为三维图，因此要求相关人员进行三维测绘。（4）从工程施工角度讲，当前工程的复杂程度不断升高，对复杂度较高的工程实施施工时，并非完全按照传统方法那样逐层从地面开始施工，而是采用立体吊装方式进行施工，比如中央电视台和鸟巢等，都是采用这种方法施工的。基于这一要求，施工测量必须实现三维化。

2三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用

2.1外业数据采集

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１ｍｉｎ一个测站，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。

2.2近景摄影测量

在对物距小于300m的测量对象开展摄影测量作业时，工作人员普遍选择运用近景摄影测量技术。例如，在工程施工中，在施工现场固定安装适当型号的量测摄影机，持续对施工现场中工程各部位的施工情况、造型结构进行监测，并将所拍摄测量对象的图像信息进行加工处理，准确显示对象的几何空间位置与形态尺寸，这一过程即为近景摄影测量。在工程测量领域中，这项测绘技术主要适用于对复杂环境下对象物体运动状态的测量，在测量过程中，无需将量测摄影机设备与测量对象进行直接接触，也不会对测量对象的运动状态造成干扰影响。与其他三维测绘技术相比，近景摄影测量技术具有配套软硬件完善、无需接触测量对象、可瞬时间获取对象物理几何信息、具备自控功能等优势。

2.3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。Ｔｒｉｍｂｌｅ　Ｒｅ－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。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。

2.4构建三维地理信息系统

三维地理信息系统是一种具有软硬系统支持、可以实时对地球表层空间地理数据加以采集、运算分析与传输的空间信息系统，简称三维GIS系统，主要用于开展地形测量、工程变形量观测、测量各点位三维空间坐标等作业。同时，三维GIS系统不仅具有二维GIS系统的各项使用功能，如数据自动采集、运算分析等，还具有空间信息直观化程度高、空间信息可视化、多维空间信息分析性能优异、测量效率高等诸多优势。从发展角度来看，三维地理信息系统的构建是信息化与数字化时代背景下，三维测绘技术体系主要发展趋势，可以将测量方式由静态测量发展至动态测量，对三维测绘技术的集成化发展起到积极影响，还能够有效集成数据库操作、地图视觉效果以及地理分析功能。

2.5测绘传感器的应用与发展

测绘传感器属于广义概念，无论是 GPS 接收机，还是采用马达进行驱动的全站仪，均属于传感器范畴。如今，对测绘测量而言，保证高精度与实时性，对确保工程，尤其还是大型复杂工程建设安全及运营安全而言是基本要求。因此，不同专业技术人员应做到共同参与、精诚合作，全面了解并掌握工程实际安全状态，并综合分析确定工程所处实际状态。基于此，应最大限度利用传感器具有的高精度与自动化等基本特点，使数据信息的采集、传输及处理都实现自动化。

2.62+1 测量与三维测量共存

从理论角度来看，与 2+1 维测量方式相比，三维测绘技术具有极为显著的应用优势。但在工程测量作业实际开展过程中，部分企业综合考虑到测绘成本、人员专业素养要求、设备采购成本等因素，仍会时常采取各项传统测绘技术，三维测量系统无法彻底取代传统的 2+1维测量系统[3] 。因此，现阶段相关部门机构既要加强对各项三维测绘技术的应用程度与研发力度，同时在特定情况下，也需灵活运用 2+1 维测量系统，将工程测量成本控制在合理范围内。例如，可选择运用 2+1 维测量系统开展路面横断面水平线测量作业、承重墙测量作业等等。

结语

通过本文分析可知，运用三维激光扫描技术完成建筑测绘任务，在测绘效率、测绘精度、测绘结果输出等方面都发挥了明显优势。首先，三维激光扫描测绘基于激光测距原理成像，成像范围大、速度快，可以极大地提高测量效率；其次，运用激光扫描技术得到的点云坐标均可以通过多站拼接和离散点过滤实现坐标点的校准与复核，保证每一个点云的空间位置准确，提高建筑物测量精度；最后，运用该方法进行建筑物测量，可以实现整个三维模型的矢量化输出，为测绘成果提供了更加广阔的交互空间，可以被更多软件直接提取利用，为后续工作带来极大便利，提高了测绘成果的可利用程度。通过本文研究，三维激光扫描技术在测绘工作中的应用具有很高的研究价值，并不局限于建筑测绘，在其他领域的测绘中也具有较好的应用前景。

参考文献

[1]贺婧如.三维测绘技术的发展及应用概论[J].科学与信息化,2018(32):39.

[2]刘中伟.三维测绘技术与工程测量技术的应用与发展[J].工程技术研究,2019,4(14):117-118.