三维激光扫描在旧建筑物改造中的应用

三位激光扫描在旧建筑物改造中的应用摘要：本文提出将三位激光扫描技术应用于旧建筑物改造过程中；三位激光扫描技术能够快速、高效、高精度的获取测量目标的表面三维数据，进而快速、高效的获取旧建筑物的高精度平面、立面、剖面图，为旧建筑物改造设计、工程量计算、造价等提供基础。结合工程实例，分析总结三维激光扫描在旧建筑物改造中应用的一般流程和点云数据处理方法。关键词：三维激光扫描；旧建筑物改造；点云；1引言随着时间的推移，许多旧办公楼出现了不同程度的饰面老化，设施落后、屋面漏水等问题。同时随着信息产业的发展，智能化水平的不断提高，办公方式也发生了翻天覆地的变化，老旧办公建筑的空间布局与现代办公的需要显得格格不入，以至于不能很好的满足现代办公的需求所以一些职能部门办公楼的硬件设施亟需重新建设。在这种情况下，大部分地区对这些办公楼采取的措施就是简单的拆除重建，不仅造成了环境污染，同时也造成了巨大的资源浪费。随着人们生对环境污染认识的提高和资源危机意识的增强，社会上对旧建筑再利用的呼声也日益高涨，有计划的对旧建筑进行适应性改造及再利用是大势所趋，而平面图，立面图和剖面图是旧建筑改造的根本。平、立、剖面图可以为建筑物改造重新设计，制定改造方案，改造工程量初步计算等提供依据。传统的绘制建筑物平立剖面图的方法有如下几种：一是用皮尺量取建筑物长度，层高等建筑结构相对几何关系进行绘制，这种方法投入的仪器设备少，不受场地影响，但所获得的测量数据少，人工费用高，精度低，效率低。二采用全站仪获取建筑物三维坐标，配合野外绘制的草图并使用相机拍摄图片然后进行绘制。这种方法投入设备多，人员多，工作量大且在人流量、车流量大的地区不易测量，存在一定的人员安全风险。地面三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度的立体扫描技术。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描能够提供扫描物体表面的三维点云数据，实现实体真实、完整和精确的三维复制，为快速获取建筑物平面图、立面图和剖面图数据提供了一种全新的技术手段。2三维激光扫描仪工作原理三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。以RieglVZ-400三维激光扫描仪为例，该扫描仪是以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向则以伺服马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。地面型三维激光扫描系统工作原理：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。ZYXP(XP,YP,ZP)αβ图1扫描点坐标计算原理图图2地面激光扫描仪测量的基本原理coscosPXScossinPYS（1）cosPZS3外业扫描三维激光扫描应用于旧建筑物改造过程中的作业流程，如图3所示。图3三维激光扫描作业流程3.1外业踏勘为了对实际工程进一步的了解，更为了制定有效可行的技术实施方案，必须对实地建筑及周边环境进行踏勘巡视，根据建筑物的高度、扫描仪的仰角及扫描仪的扫描距离和遮挡情况确定扫描位置。由于建筑物内部结构复杂，对建筑物内部踏勘也是非常重要的。在踏勘过程中，应了解实地建筑具体构型，查看建筑物周边环境形态，根据目标建筑物的实际情况及项目的要求。初步制定三维激光扫描路线，合理拟定布设扫描站点。3.2点云数据采集建筑物平面、立面、剖面图不要求绝对坐标，所以不需要与控制网进行联测。但对建筑物结构的相对距离要求较高。在具体从某一方向对目标进行扫描时，测站布设要保证两两测站之间至少有15%～30%的重叠，便于后续内业点云匹配，建筑物外立面扫描时测站间距最好保持在50m～100m，每测站距建筑物距离不应太大，控制在100m左右，保证精度；注意扫描作业时，应确保所选择的测站能完全覆盖测区范围测站需要且将建筑物包围。建筑物内部扫描时，由于建筑物内部结构复杂且内部结构相似需采用标靶球，摆设标靶球时注意在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶球，便于后期点云配准。由于常规的建筑在结构上具有对称性，门窗结构的尺寸的统一性，而照片可以确定建筑的总体样式，门窗之间的拓扑关系细节照片能够显示建筑附属物相关信息，因此为了后期绘图方便，在对建筑物扫描的同时也用高清数码相机对建筑物进行拍照。4数据处理及成果图绘制4.1点云配准在对建筑物内部进行扫描时，由于建筑物内部结构复杂，一站扫描不可能获取一层建筑物的全部信息，而不同扫描站获得的点云分别存在于各自的测站坐标系，因此需要将各个测站的测站坐标配准到统一的坐标系中。同样对建筑物外立面扫描时以一站扫描也无法获取目标建筑物的全貌，也需要将各个测站的局部坐标配准到统一的坐标系中。点云配准一般分粗配准和精配准。首先是粗配准，粗配准是基于两站建筑物几何特征（或标靶球）的配准，选取两站的至少三对同名点，以匹配点对的几何特征为依据，计算刚体变换矩阵，进而完成粗配准。粗配准只是将多个局部坐标系的点云大致地对齐到同一个坐标系中，精度不高。粗配准结束，采用ICP最近点迭代算法精确配准，提高配准精度。4.2成果图绘制（1）平面图绘制用三维量测方法绘制平面图。该方法是作业人员在三维点云数据处理软件中以立体观测模式选取点、面，然后进行立体模式特征点提取并进行测量，在量测中，同一采集尺寸测量3次，每次测量的误差小于0.4cm，取3次平均值作为量测数据。三维量测作业模式如图4所示。根据测量结果在天正软件中进行绘图。首先绘制墙体，勾画出建筑平面尺寸，平面尺寸需与外立面的尺寸统一，然后根据门窗在外立面图上的位置，绘制不同层平面图，并根据建筑的实际情况，绘制墙体轴线并标注。图4三维量测作业模式（2）立面图绘制用制作切片投影描图方法绘制外立面图。该方法首先对点云数据分割和抽稀制作切片，然后进行投影，以DXF格式导出，并导入到AutoCAD中进行描图。点云切割是把完整的点云分割成若干个相互独立的点云块，可对单个块进行编辑和操作，其它块不会参与运算，这样可以提高计算机的运行效率。由于点与点之间有空隙，在正视图和后视图中，前后的点云会重叠在一起，造成视觉混乱；在左视图和右视图中，也会出现类似的情况。为了消除前后点云对视觉的影响，可以采用切片的方法解决。在不影响绘图精度的情况下，对制作好的切片进行抽稀，以减少点云数据量，然后在抽稀后的切片上选择不在一条直线上的三个点进行平面拟合，拟合出来的平面就是投影面。然后将切片数据以.pts格式导出并导入到laserscan（广州市城市规划勘测设计研究院研发的软件）软件中进行投影，以DXF格式导出。然后导入到AutoCAD中进行描图。制作好的切片如图5所示。立面图绘制也可以采用三维量测模式进行绘图。图5制作好的切片（3）剖面图绘制天正或斯维尔软件可以根据绘制好的平面图直接生成剖面图。首先将绘制好的各平面图保存为各自的文件到一个文件夹内（平面图的对象必须要使用天正工具绘制的，比如墙体要用天正墙体工具画，用线条画不能生成立面和剖面的）；点击侧栏天正工具条的文件布图工程管理，点下拉箭头新建工程，在下面的楼层表里根据所绘制的平面图建立楼层表，取名存盘；点击侧栏天正工具条的剖面建筑剖面，建立剖面线和选择剖面线。然后按提示操作即可生成剖面图。剖面图绘制也可以采用三维量测模式进行绘制。5工程案例现以广州市海珠区某办公建筑群为例，该建筑群有五栋十层的办公楼，办公楼里的小隔间大部分已经拆除。在项目中，采用RieglVZ-400和Focus3DX330三维激光扫描仪，高清数码相机进行外业点云数据采集。同时采用相应配套点云处理软件RiSCANPRO和SCENE进行三维量测和切片制作。然后采用AutoCAD和天正软件进行绘图。5.1外业扫描由于本次测绘项目的建筑物外立面和建筑物平面图不要求有连续性，所以不需要布设控制网。本次扫描投入两台三维激光扫描仪分别是RiegLVZ-400、Focus3DX330三维激光扫描仪，为提高工作效率加快野外作业分两组进行扫描作业。由于被扫描建筑物周围环境复杂，布设的测站要包围建筑物保证扫描到建筑物的各个立面，RiegLVZ-400扫描仪测量距离远、扫描速度快，因此用RiegLVZ-400扫描仪对建筑物外立面进行扫描，用Focus3DX330三维激光扫描仪扫描建筑物内部。由于建筑物内部结构复杂，一个测站不可能扫描完一个楼层，建筑物内部相似性高，所以对建筑物内部扫描作业时要摆设标靶球，需要在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶，以供点云拼接需要。建筑物内部扫描时，结构相同的楼层只对一个楼层进行扫描，不同结构的楼层要逐层进行扫描。扫描作业时要画作业草图记录测站的相对位置，以供点云拼接需要。5.2绘制成果图用上述绘图方法分别绘制平面、立面、剖面图。成果图如下图所示。本项目从签订合同到项目介绍共10天，外业一天半。内业一周成图，成图检查半天，修补测一天。内业成图外立面20幅，平面图20幅，剖面图10幅，其中内业成图只有三个人，一个人是第一次接触点云成图。三维激光扫描技术极大地提高了作业的效率。图6平面图图7立面图图8剖面图6结束语由于土地和经济等多方面原因今后，我国至少大城市的旧建筑物改造的份额将逐渐增多。本文提出将三维激光扫描技术应用于旧建筑改造过程总，解决了传统测量技术获取旧建筑数据效率低，数据精度不够高且无法准确体现旧建筑立面现状的问题。三维激光扫描技术极大的提高了外业数据采集的效率，减小了测绘工作者外业的工作强度并确保了数据质量。如何提高三维激光扫描内业成图效率，减少人工辅助测量及如何实现自动化成图是以后的重点研究方向。参考文献[1]王峰,林鸿,李长辉.地面三维激光扫描技术在城市测绘中的应用[J].测绘通报,2012(05):47-49.[2]张庚涛.地面三维激光扫描技术在建筑立面图制作中的应用[J].测绘技术装备,2013(04):82-84.[3]李德江,董明清,孙凤弢.三维激光扫描仪在城市外立面采集成图中的应用[J].测绘与空间地理信息,2014,37(09):29-31.[4]蒋江生,杨元兴.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].地矿测绘,2014(03):38-40.