三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用研究

三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘
中的应用研究
摘要：相比普通结构建筑，建筑结构外立面具有形状奇特、结构复杂、施工难度大、构件形态不规范等特点，使用传统的检测手段进行建筑结构外立面的测量，不仅任务量大、效率低下、测量精度存在偏差，还会使设计的构件出现无法满足建筑建设周期需要的问题。

基于此，本篇文章对三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用进行研究，以供参考。

关键词：三维激光扫描技术；建筑物；立面图测绘；应用分析
引言
随着我国城镇规模的不断扩大，旧城区基础设施不足、布局零乱、土地利用率低等问题日益突出，因此相关部门强化旧城区城镇功能，就必须对旧城区进行有计划的改造。

大量城市规划、建筑立面规划、建筑物改建等城市整治类项目相继实施，这类项目无论是造价计算还是规划设计，都需要快速获得目标建筑物三维模型及外立面尺寸及坐标数据，为施工建设提供规划设计和装饰等方面的技术支持，这一过程称为建筑物立面测绘。

传统建筑物立面测量方法是外业人员拍取建筑物立面照，再使用全站仪通过免棱镜法测量建筑物特征点的三维点坐标，然后内业人员将测量数据导入CA或CASS等绘图软件中，依照外业草图绘制建筑立面图。

这种立面测量方法存在工作量大、细部特征采集不全的局限，尤其是在绘制复杂建筑细部轮廓上存在极大难度，并且工作效率较低。

一般旧城改造施工周期较短，因此这种方法常常难以跟上施工进度。

随着三维激光扫描技术的不断成熟，通过该技术对建筑物进行无接触扫描获得目标建筑物点云数据，再通过点云数据预处理和模型重建即可获得建筑物立面图，很好地弥补了传统测绘方法的不足。

1三维激光扫描技术
三维激光扫描技术，又称为实景复制技术，利用激光测距的工作原理，能够
记录被测目标表面大量点的三维坐标（ＸYＺ）以及反射率、颜色（ＲＧＢ）和
纹理等属性信息，复建被测目标的三模型。

该技术突破单点测量方式，具有高精度、高速度、高分辨率和非接触等特点。

当前常见的三维激光扫描仪主要采用三
种测距模式，分别为脉冲法、相位法和三角法测距。

本次北京某剧场测绘项目采
用了ＲＩＥＧＬＶＺ⁃４００ｉ三维激光扫描仪，该仪器为奥地利ＲＩＥＧＬ公司生产的一款地面型扫描仪，采用脉冲式测距原理，点激光发射频率达１２０万点
／ｓ，测程为８００ｍ，具有１００°×３６０°宽视野，测量精度为５ｍｍ。

三维激光扫描仪较传统测绘，例如，全站仪测绘、无人机摄影测绘等比较，拥有
以下特点：（1）非接触式测绘。

三维激光扫描技术采高速激光进行非接触式扫描，无须棱镜反射，直接照射目标表面获取点云数据及其三维坐标。

使其在一些
危险场景人员无法到达的地方、目标脆弱不可受到外界影响的情况下，三维激光
扫描技术较传统测绘的优势非常明显。

（2）数据收集速度快。

三维激光扫描仪
一分钟可扫描上亿个点数据，是全站仪、棱镜和卫星定位设备逐点测量的传统方
法不可比拟的。

（3）全天候工作。

通过主动发射激光信号，可以在昼夜进行工作。

相比无人机航空摄影却难以在自然光源不佳的情况下获取到满意的数据。

（4）高精确度。

三维激光扫描仪通过高密度点云数据的获取，在高精度的传感
设备支持下可以实现对实体几何特征的高分辨率。

精度可达到毫米级。

（5）可
获取信息丰富。

由于获取到的数据多，可通过后期数据的处理和分析中得到众多
信息。

（6）三维可视化表达。

可以在设备上直观看到被测物体的特征，并利用
点云特征完成数字模型建立。

也可以直接完成坐标、距离、面积、体积的量测。

（7）应用场景广。

适用于多行业的需要，可在测绘、建筑、规划、考古、智慧
城市等领域应用。

2立面图测绘相关理论
立面图是指能够反映建筑物外形、高度地精确反映，包括建筑物外貌、高度、外部装饰以及屋面、台阶、阳台和门窗等部件位置和形式的准确体现和数形描述。

与建筑物立面平行的投影所做出的正投影图，称为建筑物立面图，简称立面图。

如果建筑物四个方向立面的形状不同，则要画出从左、右侧立面图和背立面图。

立面图的名称也可按照房屋的朝向分别称为东立面图、南立面图、西立面图和北
立面图，还可按房屋端轴线的编号命名。

3三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用分析
3.1三维模型重建
三维模型重建借助的是Undet插件，借助该插件可以将点云数据导入到建模
软件中(包括SketchUp、Ｒevit和Autocad)，利用插件所提供的工具可以对点云
进行剖切、分析和提取。

由于建筑物较为规则，因此本文选择SketchUp软件建模，第一步将扫描仪获取的原始点云数据进行格式转换，本项目将．las点云数
据的换成．ipcp格式。

待数据导入后，进行模型重建，首先要确定建模起始面，
由于后续模型的构建都是前期基础上完成，因此基准面的选择至关重要。

本文在
实验时选择插件自带的“点云拟合”工具，由于墙体表面平整，因此选择墙面为
起始平面，设置拟合半径，软件自动拟合出一个最佳平面，在平面的基础上进行
推拉和延展。

其他部分建模时对照点云进行建模，部分附属物如空调、抽油烟机、围栏等可以制作成组件方便后期使用。

对照点云建模的关键点就是重建过程中模
型要与点云贴合，贴合情况可以通过多旋转角度判断，如发现模型覆盖点云，点
云数据缺失、无肉眼可见，则说明模型尺寸过大，“覆盖”点云数据;如果发现
点云和模型之间从俯视角度观察到明显空隙，则说明模型尺寸偏小，还需要扩大
相应位置尺寸。

因此在模型重建过程中，可将模型设置成透视，方便判断建模。

3.2立面图绘制
建筑立面图是指与建筑物正面平行的反映建筑物各部位高度、形式等特征在
铅直投影面上所做的正投影图。

在Revit中不仅能够展示BIM模型的三维视图效果，还能够生成二维平面图纸，根据所建立的BIM模型，可导出建筑物立面图，
但是由于直接导出的立面图效果相关细节表达还不够完善，所以还需继续利用CAD软件人机交互方式对模型的点、线、面等特征元素进行优化。

首先将Revit
软件生成的二维平面图纸导出为.dwg格式，然后在CAD软件中，分别对建筑物立
面的外轮廓、门、窗和阳台等建立好图层，用指定的图层和颜色来优化和完善。

3.3外业数据采集
首先提前到现场踏勘，收集相关资料信息，设计扫描方案，根据建筑构造来布设控制网、扫描站以及选取靶球公共点。

具体步骤如下：（1）控制网布设。

控制网是用作控制误差、确定坐标系的。

因为此项目并不需要统一某个大地坐标系，只需要相对坐标精度足够即可，以并未进行控制网的布设。

（2）扫描站布设。

布设过程中首先，两个扫描站之间扫描的数据要保证有足够的重叠度，否则在后期点云数据的拼接和配准中无法完成；其次，在两站之间要求可以扫描到三个相同的靶球目标，以满足后期配准拼接需要；最后要根据实际的地形灵活布设测站，不到仪器不容易架设的地方。

（3）靶球公共点的选取。

靶球位置要满足可以同时被相邻两测站扫到，靶球与靶球之间位置不要过近，本次项目中公共靶球数量满足三个即可达到精度要求。

结束语
三维激光扫描技术是应用于建筑物立面检测的具有较高价值的可靠方法,三维激光扫描技术具有极高的发展性能以及应用性能。

三维激光扫描技术不仅可以应用于建筑物立面检测,还可应用于建筑的其他缺陷部位的检测与监视。

三维激光扫描技术在建筑中应用十分广泛,未来仍具有极高的提升潜力。

伴随科技的进一步展,三维激光扫描技术将在建筑领域发挥更大作用。

参考文献
[1]冯文江,马力,雷广渊.三维激光扫描技术在建筑立面图绘制中的应用[J].地矿测绘,2020,36(03):33-36.
[2]曹君,吕丽平.基于三维激光扫描技术的建筑物立面信息获取方法[J].现代信息科技,2019,3(21):159-160+164.
[3]石信肖,胡重戎,李国远,郭瑞.基于点云的建筑物立面图快速绘制[J].北京测绘,2019,33(08):899-902.
[4]胡玉祥,李勇,张洪德,王智,孟庆年.地面三维激光扫描技术在建筑物立面测绘中的应用[J].城市勘测,2019(03):87-91.
[5]王灿辉.建筑物立面测绘方法浅析[J].经纬天地,2018(02):42-44.。