基于激光视觉跟踪扫描技术的街区建筑立面测绘方法

路继伟

身份证号：370305198206185636

摘要：历史街区建筑是不可再生的宝贵文化资源和历史传承的重要载体。爱护和弘扬传统优秀建筑文化具有重要的意义。然而，当前历史街区存在不少问题，如外立面老旧、风格不统一；商业广告位和空调机位放置杂乱；沿街电线杆密集且杂乱无章等。因此，迫切需要对历史街区进行更新改造，其中，前期的一项重要工作就是立面测绘。本文主要分析激光视觉跟踪扫描技术的街区建筑立面测绘方法。

关键词：激光扫描；立面测绘；视觉跟踪；点云拼接；点云数据

引言

如果采用全站仪法外业测量，工作量极大、效率极低；无人机倾斜摄影方法不能获取街区底层立面信息；地面三维激光扫描法具有非接触测量，点云密集、高精度，受到业界广泛关注，但是存在点云配准工作量大，测站越多，耗时越多，误差累计也越多。针对狭窄街区建筑物立面测绘存在的问题，文中提出基于激光视觉跟踪扫描技术的建筑物立面快速测绘方法。

1、三维激光扫描的组成

建筑物年久失修已无法跟进现代城市化发展的步伐，而我国正处于从“小康型”向“共富型”过渡的关键时期，因此必然对城市住宅提出更高的要求。而对老旧城市建筑物美化、改造过程中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技术支持，这一过程称之为建筑物立面测绘。传统观测方式主要是测距仪测量和免棱镜测量，但是这两种方式观测效率低，还需布点和通视因此工作效率低、数据采集难度大，传统作业方式都是白天作业，而建筑物一般都位于闹市区，周围人流、车流密集，干扰性较大，更加剧了观测难度，而精准、高效核算旧城面积和改造工作量是保证相关工程顺利推进的基础。近年来随着三维激光扫描技术的不断发展，其具有精度高、速度快的优势，逐渐应用于各类复杂环境的工程建设领域，效果良好。

2、激光视觉跟踪扫描技术

传统三维激光扫描技术外业需要逐个测站架设仪器，对中整平，内业利用专业软件进行点云配准、去噪等，整个流程工作量大、耗时长、效率低。近几年，三维激光扫描领域出现了一项新技术，即视觉追踪技术。视觉追踪的三维激光扫描仪经过内置视觉追踪相机和惯性测量ＩＭＵ实时计算两个连续站点间的相对空间关系。根据三维点云的特征点匹配，寻找到多个（３个以上）同名特征点，解算两测站数据的空间坐标转换参数，将后续移动站点云数据拼接到基准站点云，实现点云全自动精准拼接。基于三维激光扫描技术获取建筑物点云数据进行立面图测绘，不仅可以直接获取建筑物的精确三维数据，还可高效获取几何空间信息，并且特征点、线中误差完全满足建筑物立面测量的精度要求。研究结果表明，三维激光扫描技术具有高自动化、高效率的独特优势，解决了传统老旧小区立面测量中的“低效率”“可视化差”“测绘难”等问题，为建筑物立面测量提供了一种全新的手段，具有很高的适用性，对于旧城改造、建筑物施工测量等具有较高的适用性。

3、激光扫描技术测量内容及方法

3.1作业流程

采用地面三维激光扫描技术进行房屋建筑“竣工验收测量”的作业流程可分为：前期踏勘规划、控制测量、外业点云数据采集、内业点云预处理、竣工验收要素提取和成果绘制输出。外业数据采集流程：根据任务需求对三维激光扫描的测绘现场进行踏勘，依据空间场景、复杂程度、关注的测绘要素以及工程精度要求，进行扫描路线的规划。根据扫描路线和现场测绘条件确定标靶纸的布设位置，场区控制点布设时应保证控制点与标靶纸同时。扫描测站尽量覆盖全部的建筑物外轮廓，遮挡严重时可多次设站，视野开阔地带也尽可能保证测站间距20ｍ左右。扫描过程中在总平图上绘制测站草图及标靶对应的测站。保证每个标靶正前方10ｍ左右架设一测站，利于内业刺点。外业扫描完成后及时对现场楼栋进行拍照，利于内业人员对现场要素的判读。

3.2外业数据采集

采集点云数据前,为确保在较少测站条件,避免点云数据重复的前提下,采集到有效、完整的点云数据,首先需要踏勘选点,按照建筑物实际情况和周围确定扫描方案。由于每一测站扫描的点云数据有限,因此需将多视角点云数据进行拼接,点云数据拼接的前提是相邻2站点云数据要有公共点云,即应保证每2站之间的扫描数据有一定的重叠区域,为确保数据拼接的准确性,相邻测站采用球形靶标进行拼接,此外由于采集的点云数据都是以测站中心为基准坐标位置,如果统一到当地坐标系下会产生一定误差,而建筑物倾斜度分析不需要绝对坐标,因此本项目不做坐标转换。从建筑物西南角开始,顺时针进行数据采集,4站测站布设在建筑物4个拐角位置,相邻2个拐角保证有3个球形靶标,考虑到建筑物长度较长,为保证采集到足够多的有效点云数据,在建筑物南北立面分别加设2个测站,并与建筑物里面保持一定距离,以方便采集到建筑物顶部点云数据。

3.3优势分析

相对于传统全站仪法和传统地面架站三维激光扫描法，激光视觉跟踪扫描技术具有一定的优势，具体表现为：１）采集数据便捷性高。传统全站仪法需要架设多个测站，测量测站点和定向点坐标，测量准备工作占据时间长，测量时需要１人测量１人配合画草图。完成后内业根据测量成果再成图，内外业工作量大、效率低，遗漏的现象不可避免。传统地面架站式三维激光扫描需要对仪器进行整平，在测站较多的情况下耗时长。采集的数据不能现场实时检查，需要内业逐站配准后才能检查，较多的测站使配准的过程耗时久，工作量非常大。文中激光视觉跟踪扫描法在外业扫描过程中只需要放稳，不需要整平，２ｍｉｎ即可完成一个测站扫描，扫描过程中全自动拼接，实时检查，内业不需要再拼接，大大减少内业工作量，因此，便捷性非常高。２）采集数据完整性好。全站仪法需要对建筑立面的特征点逐个照准、测量，在狭窄街区由于视域范围限制，瞄准困难，再加上遮挡困素，采集数据的完整性差，或者需要多次转站才能测量。地面架站激光扫描可以大广角扫描，但是遮挡区域需要增加测站，过程耗时且完整性稍差。文中激光视觉跟踪扫描法架站灵活，扫描速度快，现场检查数据，及时补扫，完整性高。３）自动化程度高。传统全站仪法单点测量，要先照准，再测量，还需要人员记录、画草图等。传统地面架站激光扫描仪外业扫描后，需要人工逐站配准拼接。文中激光视觉跟踪扫描法全自动扫描，实时配准拼接，自动化程度最高。

结束语

传统建筑立面测绘方法存在局限性，不能满足狭窄街区建筑更新改造立面测绘需求。基于此，提出了利用基于激光视觉跟踪扫描技术的狭窄街区建筑立面快速测绘方法。激光视觉跟踪扫描技术具有外业采集和处理效率高、精度高、点云数据丰富等特点，在建筑立面测绘方面具有很大优势。当然，该方法也存在一定的局限，由于地面视角，建筑物遮挡严重，会出现遗漏的情况，对于高楼建筑侧面和顶部的信息难于获取，后续需要考虑空地一体三维激光扫描的方法。

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