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手持式三维激光扫描仪在城市立面测绘中的应用研究

2023-08-30 194 上传者：管理员

摘要：建筑物外立面测绘是城市规划改造的关键依据，对建设智慧城市有着重要意义。基于手持式移动三维激光扫描仪的三维激光扫描技术能够快速、准确地获取建筑物多个外立面的三维坐标信息。本文首先利用ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪获取建筑物点云数据，而后对获取的点云数据进行配准、去噪等预处理，最终绘制建筑物的外立面线划图。研究结果表明，所绘制的立面线划图坐标中误差小于0.020 m,满足限差要求。

关键词：
SLAM技术
城市立面测绘
手持式三维激光扫描仪
点云数据
立面线划图
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引言

建筑物的立面线划图是建筑物外表面投影到与其平行的投影面上得到的正投影图[1],其可清晰地反映建筑物的外部特征，是城市市容规划改造等工作的关键依据。因此，研究如何快速准确地采集建筑物外立面三维信息，绘制建筑物的立面线划图，对实现智慧城市数字化建设有着重要意义。传统的全站仪立面测量方法是通过全站仪极坐标测量法来观测建筑物各个立面的特征点[2,3],同时某些局部区域还需利用皮尺、测距仪等工具进行测量，耗时长、费用高、外业工作量过大，无法保证立面测绘的效率。无人机倾斜摄影测量技术[4,5,6]虽能获得高精度的建筑物顶部数据，但建筑物底部的数据测量精度较差，同时与地面三维激光扫描仪获取的点云数据相比，倾斜摄影测量获取的点云数据精度较低，无法满足建筑物外立面测绘工程的精度要求。因此，如何快速准确地采集建筑物外立面的三维信息已成为亟待解决的关键问题。

三维激光扫描技术是近年来迅速发展的一种新型测绘技术，其基于激光扫描的方法来获取密集点云数据，能够快速、全方位、高精度地获取建筑物的外立面三维坐标信息[7,8]。同时与无人机倾斜摄影测量技术相比，三维激光扫描技术对建筑物底部的测量精度高，能够在有遮挡的情况下准确地获取建筑物底部的三维信息。目前，已有学者开展了架站式三维激光扫描仪在建筑物立面测绘应用方面的研究，例如，万建鹏[9]等人研究了FARO三维激光扫描仪在建筑物立面测绘中的技术流程，同时结合工程实例对立面测绘成果精度进行了评定，结果表明，架站式三维激光扫描仪采集的点云数据平面和高程中误差皆满足国家规范立面测绘误差的限差要求，为三维激光扫描技术在立面测绘工程中的应用提供了借鉴。虽然架站式的三维激光扫描技术较传统的建筑物立面测量技术相比，测量效率有着较大的提升，但其对架站点布设的要求较高，并且测量面相对单一，无法通过一架设站测量建筑物的多个立面。与之相比，手持式移动三维激光扫描仪可一次性扫描多重区域，例如，李效超[10]等人研究了手持式移动三维激光扫描仪在地下空间普查中的应用，利用手持式三维激光扫描仪大大缩短了外业时间，并且采集的点云数据相对精度为3cm,能够满足测量精度要求，为手持式三维激光扫描仪在工程中的应用提供了技术指导。

虽然已有众多学者研究了架站式及手持式三维激光扫描仪在多种工程中的应用，但目前就ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪在建筑物立面测绘中的应用研究较少，其技术流程以及测量精度仍需进一步考究。

1、手持式三维激光扫描仪测绘建筑物外立面线划图流程

ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪不仅可以通过手持作业，也可以搭载在无人机平台及可移动机器上，但其与背包式的三维激光扫描仪相比具有体积更小、重量更轻的优势。270°×360°的视场角及100 m的最大有效测程使其能够满足绝大多数测绘任务的需要，即使在狭窄的作业环境中，测量人员也可通过手持ZEB-HORIZON三维激光扫描仪轻松作业。仪器最核心技术是定位与地图构建SLAM技术[11,12,13](Simultaneous Localization and Mapping, SLAM),其能够使ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪在不需要GPS信号的情况下，快速扫描多区域空间，并自动拼接点云数据，基于激光SLAM方法自主构建环境地图，对光照不敏感，能够满足多种复杂环境的测绘任务。

本文总结了利用ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪测绘建筑物外立面线划图的工作流程，其技术路线图如图1所示。首先，根据现场施工环境编写测绘方案，规划测量路线，而后对于所采集的点云数据进行点云数据配准，然后将配准后的点云数据进行去噪预处理，去除点云数据中存在的噪声点，然后将经配准及去噪预处理后的点云数据进行切片，并将点云切片导入CAD中绘制建筑物外立面线划图，最后评定所绘制的立面线划图精度，若满足精度要求即可提交成果，否则需进行补测。

图1手持式三维激光扫描仪测绘建筑物外立面线划图基本流程

2、工程应用和精度分析

本文以青岛市西海岸新区某地城市建筑外立面测绘项目为例，经现场勘探，该地临街房屋多为店铺，存在大量广告牌遮挡立面测绘所需特征点位，同时现场正进行道路升级改造，作业区域的车流量及人流量过大，作业环境十分复杂。目标建筑及其周边环境现状如图2所示。因此若采用传统的GNSS结合全站仪的测量手段进行立面测绘，其测量难度大，耗时长，与之相比，采用手持式三维激光扫描仪作业受外界环境影响较小，作业速度快，效率高，故本工程采用ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪进行建筑物外立面线划图测绘。

图2目标建筑物局部及周边环境

2.1城市建筑物立面图测绘

为了测绘建筑物立面图，按照上节的手持式三维激光扫描仪测绘建筑物外立面线划图基本流程，需要开展数据采集、点云数据配准、点云数据去噪预处理和立面图绘制等工作。

(1)数据采集

ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪不需要固定式的架站，因此在实际作业过程中不需要考虑测站位置，仅需规划一条闭合的测量路线。设计路线时，需考虑仪器本身的测距范围及视场角，同时要控制扫描速度，以保证所采集的点云数据密度。为了控制偏移误差，每测站的测量时间应在15 min以内，一测站次完成后，为保证和下一测站所测得点云数据的拼接效果，两测站间要有足够的共同测量部分，以保证相邻测站间的点云数据具有足够的重叠度，本文所采集的目标建筑物点云数据如图3所示。

图3目标建筑物点云数据

(2)点云数据配准

ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪在建筑物立面点云数据采集完成后需对不同测站的点云数据进行配准拼接，本文采用Trimble Business Center软件配准拼接多测站的点云数据，其结果如图4所示。

图4目标建筑物点云数据配准后效果

(3)点云数据去噪预处理

由于ZEB-HORIZON三维激光扫描仪采集的点云数据存在着噪声点及边界离散点过多的问题，因此为了得到高精度点云数据以用于后续立面图的绘制工作，还需对所采集的点云数据进行裁剪、去噪等预处理。本文采用基于空间分布的数据去噪算法对所采集的建筑物外立面点云数据进行去噪预处理，当近邻点个数为6,标准偏差乘数阈值为1时，点云数据去噪效果最佳，其去噪预处理前后对比图如图4、图5所示，对比两图可知，经去噪预处理后，房檐、地面处的边缘离散点以及影响立面绘制的冗余噪声点均得到了有效去除。

图5目标建筑物点云数据去噪预处理后

(4)立面图绘制

建筑物立面图能充分反映建筑物的基本形状以及特征轮廓，本文基于Trimble Business Center及AutoCAD软件，结合预处理后的三维点云数据特征点、线、面等绘制建筑物的立面线划图。由于点云数据量过大，若直接将预处理后的点云数据导入CAD绘图需高算力服务器才可完成，此方法不便普及，若通过选择主平面生成点云切片，而后导入CAD描绘，可极大地提高作业效率，同时此方法对计算机配置的要求不高，更便于普及。因此，本文在立面线划图绘制过程中首先选择建筑物外表面的平行投影面作为基准面对所采集到的点云数据进行切片，为保证后续建筑物立面线划图的绘制精度，将点云切片厚度设置为1 cm,而后将得到的点云切片导入至CAD中描绘建筑物外立面线划图。在实际绘制过程中，参考了实地踏勘拍摄的建筑物立面照片，以及结合遮挡处利用钢尺等进行人工补测的数据，以确保立面图绘制的正确性。本文所绘制的部分建筑物立面细节图如图6所示。

图6建筑物立面细节图

2.2精度分析

为了对本次作业采集的数据精度进行验证评估，本文选取了8个特征点位置作为校验点，利用Leica TS09 plus全站仪测量其实际三维坐标，而后将实测的三维坐标与利用ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪测得的三维坐标进行对比，各个特征点的平面与高程误差统计表如表1所示。由表1数据计算坐标平面中误差及高程中误差可得，σx=0.016 m,σy=0.017 m,σz=0.017 m,结果满足《GB50026-2016工程测量规范》中对建筑立面图平面和高程中误差的限差要求。

表1建筑特征点平面坐标误差及高程误差统计表

3、结论

城市建筑物的外立面测绘对城市规划改造有着重要意义，而手持式三维激光扫描仪良好的数据采集性能使其具备应用于建筑物立面测绘的能力。本文探讨了ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪在建筑物立面测绘中具体的应用流程，以山东省青岛市某立面测绘工程的实践应用为例，详细说明了外业作业流程、内业点云数据去噪预处理以及立面图绘制步骤，同时通过平面及高程坐标中误差对测量成果进行了精度评定，结果表明手持式三维激光扫描仪在建筑物立面测绘中能够发挥高效率、高精度、更便捷的特点，满足建筑物立面图绘制误差。

参考文献:

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[2] 华远峰,孙博,郑磊等.基于全站仪自由设站的建筑立面测绘方法研究及应用[J].城市勘测,2020(4):139-142.

[3] 何屹雄,花向红,许承权等.全站仪建筑物立面图测量方法研究及工程实践[J].测绘地理信息,2017,42(1):10-13.

[4] 谭金石,陈颖彪,祖为国.利用无人机贴近摄影的临街建筑立面测绘方法[J.遥感信息,2021,36(6):80-85.

[5] 冯文娟,康宏民.无人机倾斜摄影在建筑立面测绘中的应用及工程实例[J.煤矿现代化,2021,30(4):199-201.

[6] 刘振,吴长悦.利用无人机倾斜摄影的建筑物立面建模方法[J].矿山测量,2021,49(2):81-84.

[7]李照永,侯至群,何江龙.城镇立面改造项目测绘的新技术应用实践[J].城市勘测,2022(2):132-136.

[8]贺晓东.三维激光扫描技术在建筑立面数字化采集和立面绘制方向应用的可行性研究[J].测绘通报,2021(9):157-159+164.

文章来源:白廷义,黄家其,何晓宇.手持式三维激光扫描仪在城市立面测绘中的应用研究[J].城市勘测,2023(04):96-99.