非接触测量技术在建筑立面改造中的应用

　　摘要:随着城市建设的发展，核心地带新建建筑的增量有限，对原有建筑的外立面改造成为一种趋势，这就需要开展建筑外立面测绘来提供改造设计的基础图件。以激光扫描为代表的非接触式测量技术，突破了人工量测的效率、精度、数据信息的限制，为建筑外立面测绘提供了全新的途径。通过工程应用，证明该方法相对于极坐标测量和量距测量具有精度高、效率高、数据信息丰富等优势。

　　关键词:激光扫描，非接触，建筑立面，高精度

　　1概述

　　近年来，建筑外立面整治改造项目越来越多。但是对于老旧建筑，以及曾经翻新改建过的建筑，获取其原始和改建时的设计施工图纸已经不太现实，于是在进行立面改造的时候就缺少基础资料，而且做工程经费预算的时候也缺少依据。传统测绘一般采用全站仪极坐标单点测量的方式，分别采集该建筑的各个立面特征点进行绘图。由于绘图软件一般是基于平面图作业的，全站仪获取的三维坐标导入软件前还需要先进行坐标转换编辑，此外局部区域还需要人工量距，作业效率非常低，精度更是无法保证[1，2]。

　　以激光扫描为主的非接触测量技术，可以通过高密度、带有反射率信息的海量点云，高度还原物体表面，应用范围非常广泛。考虑到建筑立面改造的需求，如果采用该技术，作业效率和数据精度将大大提高。另外，在点云的基础上，现场再按一定顺序拍摄现状照片，对于建筑细部特征的表达会更加直观、完整、立体[3]。

　　2基于非接触式测绘建筑立面的作业流程

　　鉴于三维激光扫描技术在文物保护等领域已经应用非常成熟，各类文献对于三维激光扫描系统工作原理等方面的介绍已经比较多，本文不再赘述。

　　2.1软硬件介绍

　　从仪器设备测量模式来分类，三维激光扫描仪主要分为脉冲式和相位式两种，一般来说脉冲式设备测程较长，应用于土石方测量、地形测量等;相位式扫描设备表达更为细腻，测程相对较短，应用于古建筑保护较多。随着硬件的快速发展，现在越来越多的扫描设备同时具备两种模块，可以根据项目具体需求选择不同的测量模式。

　　目前在工程测量领域，常用的激光扫描设备有RIEGLVZ系列、徕卡P系列等长测程和FARO，RTC360等短程测量设备，还有一些手持式、背包式扫描仪，更加轻便。不同设备各有优劣，通常一个项目可采用多个扫描设备结合使用。软件方面，随机软件可以满足绝大多数的数据处理需求，建筑立面测量的数据处理需求。在绘图过程中，可采用AutoCAD，或者EPS绘图平台。

　　2.2作业流程

　　采用实景复制技术进行建筑立面测量技术路线流程，主要包括数据采集阶段、数据处理阶段和成果制作阶段。

　　3工程实例

　　本文以重庆某片区建筑整体改造项目为例进行介绍。该片区共需要测量399栋建筑，拟测建筑分布密集，楼间距狭窄，且楼间多有植被或生活废品，采用常规测量该项目无法达到委托方的时间和精度需求。经踏勘和研究，本项目采用非接触式测量技术进行了立面测绘。

　　3.1数据采集

　　数据采集前在作业前进行设备检验，包括仪器主机各部件及附件应匹配、齐全和外观良好;仪器各个部件应连接紧密且稳定耐用;三维激光扫描仪能否正常运转、能否获取数据、电源容量是否充足、内存容量是否充足、同轴相机能否同步获取影像。

　　在对建筑外立面进行扫描时，扫描站点的布设应遵循以下原则:需要测设扫描站点坐标时，设站点至少与两个控制点通视，设站点应该设置在视野开阔、地面稳定、车流量较小的安全区域;扫描站站点应合理设计、均匀布设，尽量减少设站数目;测站的扫描范围应覆盖整个扫描对象;对象结构复杂、通视困难或线路拐角的情况应适当增加扫描站点。点云数据采集满足下列要求:1)作业前应将仪器放置在观测环境中进行温度平衡。2)激光扫描仪应按以下步骤操作:架设扫描站、建立扫描项目、扫描范围设置、点间距或者采集分辨率设置、开始扫描、获取影像。3)测站间点云数据的重叠度不低于20%。

　　4)采用区域分块扫描时，相邻点云数据的重叠度不低于10%。5)扫描过程中如果仪器工作出现异常，如断电、死机等原因，或者仪器位置出现变化，应重新启动仪器进行自检、重新开始扫描。纹理图像数据采集最好使用高分辨率要求的单反相机，单张相片相幅设置到相机的最大分辨率，相机的最小像素不低于1000万像素;影像的拍摄角度应尽可能保持镜头正对目标面，无法正面拍摄全景时，先拍摄部分全景，再逐个正对拍摄，后期再进行合成;选择光线较为柔和、均匀的天气进行拍摄，避免逆光拍摄;能见度过低或光线过暗时不应拍摄;相邻照片之间保证有不小于30%的重叠区域;采集影像时应画好影像采集分布图。

　　3.2数据处理

　　数据处理主要包括点云拼接、降噪抽稀、数据裁剪等工作。1)点云数据拼接。相邻测站间点云重叠度不应小于20%，采用不少于3个同名点建立转换矩阵进行点云拼接，拼接后同名点的内附合精度应不大于5cm，应采用迭代最邻近点法改正测站间的拼接精度，改正后相邻测站拼接误差应不大于1cm。

　　2)降噪与抽稀:点云数据中存在脱离扫描对象的异常点、孤立点时，应视点的数量采用滤波方法或人工手动进行点云数据降噪处理。对点云数据抽稀应注意扫描对象表面曲率变化不大区域应用均匀抽稀，抽稀后点云间距应满足制图的要求;扫描对象表面曲率变化明显区域应采用保持特征的抽稀，根据法向量变化和曲率识别特征区域进行抽稀。3)彩色点云数据处理。选择点云对应的影像数据，根据相机与扫描仪的姿态参数直接生成彩色点云，着色后的点云在色彩上应无明显影像接缝。

　　4)点云数据裁剪。将处理后的点云数据，运用软件裁剪功能将点云数据进行裁剪，获取的历史文化资源独立点云数据。5)生成可制图的点云数据。将处理完成的点云数据，运用点云数据软件的分割功能，根据需要在不同立面进行分割，得到可以进行制图的点云数据，将点云数据运用相关插件(例如CycloneCloudWorx)插入到CAD中，在CAD中运用其强大的绘图功能，进行各种图形的绘制。

　　3.3成果制作

　　在处理好的点云基础上进行立面图绘制工作。根据GB/T50104—2010建筑制图标准相关要求，对建筑立面图的绘制有如下几方面的要求:1)立面图制作应包括正立面、侧立面和背立面。2)立面图应按“门窗关闭”状态绘制。

　　3)立面图应反映历史建筑立面现状特征。4)对于曲面结构物，应绘制立面展开图。5)在定位轴线方面，建筑立面图中，一般只绘制两端的轴线及编号，以便和平面图对照，确定立面图的投影方向。6)尺寸标注方面，建筑立面图中高度方向的尺寸主要使用标高的形式标注，主要包括建筑物室内外地坪、各楼层地面、窗台、门窗顶部、檐口、屋脊、阳台底部、雨篷、台阶等处的标高尺寸。在所标注处画一条水平引出线，标高符号一般画在图形外，符号大小一致整齐排列在同一铅垂线上。必要时为使尺寸标注更清晰，可标注在图内，如楼梯间的窗台面标高。

　　7)建筑材料和颜色标注方面，在建筑立面图上，外墙表面分格线应表示清楚。应用文字说明各部分所用面材料及色彩。8)图例方面，建筑立面图上的门、窗等内容都是采用图例来绘制的。在建筑物立面图上，相同的门窗、阳台、外檐装修、构造做法等可在局部重点表示，绘出其完整图形，其余部分只画轮廓线。

　　3.4成果检核

　　采用全站仪及测距仪量据的方法进行检核，主要参考的验核依据为《工程测量》中细部测量的相关要求。经验核，本项目抽查397点，较差超过7cm的共2点，最大为7.2cm，而规范要求的中误差为5.0cm，2倍中误差作为限差，即10cm，说明成果精度满足要求。

　　4结语

　　本文介绍非接触测量技术用于建筑立面测绘的关键步骤和主要流程，验证了非接触测量技术测绘建筑立面图的适用性和精度，效率和精度优势非常明显。但在具体项目的实施过程中，还有许多要注意事项，比如街道狭窄、遮挡严重区域的测绘，高层建筑上部结构不容易扫描到等等，需要根据现场情况选择合适的设站点，并做好补测和检核工作。在内业处理方面，软件的选择和作业顺序的确定，也能影响作业效率和成果质量。

　　参考文献：

　　[1]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.

　　[2]张立，宋莉.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].测绘通报，2019(9):152-154.

　　[3]张立伟，刘鹏飞，李冠.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[J].北京测绘，2017(S2):68-72.

　　[4]张小越，王羽.基于三维激光扫描技术的建筑信息采集方法研究[J].北京测绘，2017(S1):130-133.

　　[5]龚良雄，赵兴友，朱锋博.基于三维激光扫描技术的建筑物立面测绘及成果精度评定[J].城市勘测，2018(6):67-69.

　　作者：杨永波