摘 要：以提高建筑外立面测量与制图精度为前提，针对陕投煤田地质雅安项目，分析激光点云数据在外立面测量、制图中的应用。首先介绍陕投煤田地质雅安项目概况以及激光点云数据应用原理，肯定其在外业测量环节的应用价值。其次从激光点云数据采集准备工作、操作流程、判定测量与制图精度三方面做出分析，了解激光点云数据基础上的建筑外立面测量和制图操作要领，为今后外业测量与制图工作提供技术支持，以期能够推动我国外业测量领域的可持续发展，实现智能化、信息化转型。
关键词：激光点云数据;建筑物外立面;测量;制图
中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）22-0027-04
Abstract： On the premise of improving the accuracy of building facade measurement and mapping， aiming at the Yaan project of Shaanxi investment coalfield geology， this paper analyzes the application of laser point cloud data in facade measurement and mapping. Firstly， it introduces the general situation of Yaan project of Shaanxi investment coalfield geology and the application principle of laser point cloud data， and affirms its application value in field measurement link. Secondly， analyzes the preparation of laser point cloud data acquisition， operation process， determination of the accuracy of measurement and mapping， understands the operation essentials of building facade measurement and mapping based on laser point cloud data， and provides technical support for field measurement and mapping in the future， so as to promote the sustainable development of the field of field measurement and realize intellectualization and informatization transformation.
Keywords： laser point cloud data; building facade; measurement; mapping
0 引 言
针对物体进行三维模型重建，是时下讨论与关注的热点话题。三维激光扫描技术在应用中越来越完善，以此为基础的三维模型重建技术也得到了完善，而且使模型重建技术逐渐成熟。在我国测绘领域，三维激光扫描技术作为一项新技术，可以高效采集物体表面点云数据，而且对于采集空间数据而言，该技术也是一种新方式，具有高效率、高精度、高分辨率的特点，自动化采集物体表面三维数据。利用采集到的点云数据，可以在软件中及时处理，对物体进行三维建模。目前以激光点云数据为基础的物体三维模型重建，广泛应用于建筑测量、数字城市、遗产及文物保护、虚拟现实等各个领域，尤其是建筑物外立面测量与绘图，通过激光点云数据不仅可以加强真实性、准确性，还可以保证测量工作的效率。为此，下文针对陕投煤田地质雅安项目，对激光点云数据的运用展开分析。
1 工程概况
陕投煤田地质雅安项目。其中，雅安项目东区布设了GCP300和GCP400两条控制线，共布设点位113个，测区面积2 000平方公里，计划飞行3架次;定标场3平方公里，计划飞行1架次;西区计划3架次。东区地处四川盆地和青藏高原的结合地带，天气状况恶劣、地质灾害频发。进行外业测量与控制，主要采集激光点云数据，并进行定标点和测图控制点的布设与测量。定标点和控制点选用三面角反射器，其示意图如图1所示。定标点分布在3 km×1 km范围内，该范围为定标场。定标场要求地形相对平坦，开阔区域。本次试验备选定标场CP1和CP2如图2所示。定标场的角反射器定义为定标点，其具体位置由中国航天科工二十三所提供，1：5 000测图控制点角反射器与定标场角反射器布放要求的最大区别为，控制点的点位可以偏离设计点100 m以内。控制点具体位置由二十三所提供，示意图如图3所示。
2 激光点云数据应用原理
点云主要代表的是逆向建模技术采集数据的集合，即大量点的集合，点则是有坐标形式呈现，代表物体外表面形状、点的颜色与灰度值，可以使用3D扫描设备获取。结合陕投煤田地质雅安项目，采集激光点云数据，首先需要使用无人机在现场进行倾斜摄影测量，得到倾斜影像，再按照倾斜影像可以直接形成影像匹配点云[1]。其次，地面架设三维激光扫描仪，负责采集点云数据，对点云进行预处理。再次，配准基元提取一般使用滤波算法，将地面、植被点云去除，由技术人员分析总结建筑物点云坐标z值差异，再将建筑物屋顶点云进行分割处理，此环节可以结合法向倾角差异、α-shape算法，预估屋顶轮廓边界。最后，建筑屋顶轮廓支持自动配准，利用质心约束、主成分分析，得出变换矩阵即可结束粗配准，此时可使用迭代最近点算法进行精配准处理[2]。
3 建筑物外立面测量中激光点云数据的应用
3.1 激光点云数据采集准备工作
建筑物外立面测量，主要应用三维激光扫描仪、三维激光扫描技术，通过激光测距即可达到非接触激光测距与测角的效果。在本项目中我们布置GCP300和GCP400两条控制线，共布设点位113个，测区面积2 000平方公里，计划飞行3架次，定标场3平方公里，计划飞行1架次。工作队伍分两组：地面组和飞行组。地面作业人员分成两队进行测量，提前4小时进入测区，分别在GCP300控制线和GCP400控制线同时作业，按照设计要求布设好角反，并将测区天气和云层情况告知飞行组。
3.2 操作流程
机载毫米波INSAR雷达航空摄影及4D成果制作具体操作流程如图4所示。
第一，作业现场实地踏勘。按照扫描对象，可以直接明确扫描范围、具体路线、架设仪器的位置、扫描距离、采样密度等，从而制定扫描方案。为了给制定测量方案提供参考依据，针对被测建筑附近环境务必展开现场踏勘，踏勘时尤其要检查现有点位置、保存、可利用概率，优先使用保存完好、精度高的点。按照建筑物高度和方位这些特征数值，可以确定测量线路、仪器架设位置、测量距离与采样密度等，以免发生被测建筑被遮挡的现象。天气是噪点的直接影响因素，应该尽可能地避免在恶劣天气下进行作业。选点结束之后马上绘制草图，在现场拍照，为之后的现场测量、制定测量方案等提供参考依据。
第二，采集数据。采集数据的原始记录如表1所示。
已经确定好的路线中，科学架设扫描仪、靶球，利用扫描测量便可以得到被测物体点云数据，将采集到的数据导入到计算机软件中进行自动化处理。当实地踏勘工作结束，按照制定方案可以在现场进行测量。提前准备外业测量需要用到的仪器，尤其要检查测量仪器的电源和存储空间，待所有准备工作结束方可实施外业测量，降低返工概率。确定好的路线选定合适位置架设仪器，并科学设置测量距离、采样密度等参数，随即开始组织扫描作业[3]。被测物体扫描，要求两个测站间的扫描范围必须有重叠度，为内业数据处理时的拼接提供方便。控制好测站间距，在保证作业精度基础上减少工作量。测站到被测物体的间距距离也需要注意这些问题。对于多站点的点云数据扫描，处理阶段尤其应该做好拼接操作，两测站的扫描范围保证重叠，确定公共同名点，测区范围内放置靶球，采集了各个站点扫描数据之后，可以自动计算圆心点，提高拼接操作处理的效率。另外，外业人员负责勘探现场草图的回执，从多个角度拍照记录好外业测量的方位。所有扫描工作结束之后，生成数据及时导入到计算机软件中进行处理。
第三，点云数据处理。待处理数据一般包含点云数据拼接、去除噪点，当完成一系列处理流程之后，便可以着手绘制建筑物外立面的二维线划图[4]。扫描得到的数据及时导入到SCENE软件中，工作区范围内可以一次性加载完成所有数据，将平面视图打开，观察数据的完整性，若数据不完整，应该重新扫描不完整区域。随后开始拼接和去除噪点，观察三维视图，其中包括大量点云，直接组成了立体图像，平面视图通过标记球体工具，在两幅数据中准确标记公共靶球，准确测量坐标数值，在各个角度测量点云数据重叠部分数据，随即进行拼接处理，即可获得完整3D数据图。因为测站位置被设定在被测物体前方，可以更加方便地进行全面扫描，扫描获得建筑点云数据涵盖大量噪声点，按照实际情况将噪点去除。最后便可以着手绘制外立面，处理完毕的点云数据及时导出，整理为XYZ格式，更加方便在CAD软件中绘制立面图。因为CAD无法直接读取XYZ格式文件，必须提前将其转换成CAD软件支持读取的PCG文件。通过软件中的“创建点云”功能，在SCENE软件中将XYZ格式文件导出，随即获得Autodesk文件。然后应立即重启CAD软件，确保得到的数据在绘图时得到有效利用。打开CAD软件，选择“附着点云”功能，点云数据便可以在CAD软件中直观显示。
一般在建筑物外立面绘图阶段，既需要仔细观察图片，还要融合图片、点云展开绘图。按照点云分布、图片内容，明确具体代表的物体，图片中细节部分也应该可能地在CAD成图中还原。坐标轴移动到点云，利用对象捕捉具有的节点捕捉功能，旋转坐标轴到点云平行，调整方向后绘图。绘图的第一步为墙体，CAD软件中进行基本绘图作业，勾勒建筑物外立面尺寸，根据从下到上、从左到右、由简至难的顺序逐一绘制。按照建筑物外立面门窗所在位置，观察外业拍摄照片绘制细节，并填充图案，此环节需要做好标注[5]。如图5所示。
3.3 判定测量与制图精度
建筑物外立面测量中的边长精度，是立面图整体精度的决定性因素，因此边长定位精度评价十分重要。利用三维激光扫描技术判定精度，其核心为边长对比[6]。点云数据量取特征边长度数值，将其与全站仪测量得到的特征边长度数据进行对比，对比分析结果可以作为三维激光扫描仪边长定位外部精度最终的参考依据，而且直观反映出三维激光扫描仪、高精度传统测量仪器在精度方面的差异，了解三维激光扫描仪采集到的点云数据精度。通过全站仪、FARO三维激光扫描仪两个设备，同时展开长度观测，发现三维激光扫描仪在测量时得到的数据，和全站仪测得数据比较接近，线差值甚至可以达到毫米级。由此发现，三维激光扫描仪在测量精度上，满足建筑物立面图测量、制图对精度的要求，还有利于提高数据采集效率。
4 结 论
综上所述，建筑物外立面的测量、制图，是前期非常重要的工作，此环节采集激光点云数据，不仅可以提高数据采集工作的效率，还有效保证了数据精度，为后期制图夯实基础。另外，三维激光扫描仪、三维激光扫描技术的应用，也在一定程度上改善了传统设备与技术的不足，通过拍照记录的方式，可以从多个维度进行观察，从细节上进行制图的填充，由此也体现出激光点云数据在外立面测量、制图环节的应用价值。
参考文献：
[1] 马家驹，杨瑜，王振威.三维激光扫描技术在建筑立面测量中的应用 [J].智能城市，2017，3（6）：198.
[2] 黎其添.几种建筑物立面测量方法对比分析 [J].北京测绘，2019，33（7）：850-852.
[3] 刘永吉，任伟，孙喜彬.基于倾斜摄影测量技术的曲面建筑立面图测绘方法 [J].建筑技术，2019，50（5）：605-607.
[4] 何军.基于地面三维激光扫描的明远楼建筑测绘 [J].地矿测绘，2021，4（5）：20-21.
[5] 李亮.关于外立面设计的地域性思考 [J].建材发展导向，2019，17（7）：187.
[6] 金新平.三维激光扫描技术应用于城市建筑物外立面测绘——以云南省澄江县提质扩容建筑外立面改造项目为例 [J].福建建筑，2020（11）：134-138.
作者简介：刘军（1981.05—），男，汉族，江苏丰县人，工程师，本科，研究方向：不动产测绘、工程测量。
