摘要:隨著城市建設(shè)的發(fā)展，核心地帶新建建筑的增量有限，對(duì)原有建筑的外立面改造成為一種趨勢(shì)，這就需要開展建筑外立面測(cè)繪來(lái)提供改造設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)圖件。以激光掃描為代表的非接觸式測(cè)量技術(shù)，突破了人工量測(cè)的效率、精度、數(shù)據(jù)信息的限制，為建筑外立面測(cè)繪提供了全新的途徑。通過(guò)工程應(yīng)用，證明該方法相對(duì)于極坐標(biāo)測(cè)量和量距測(cè)量具有精度高、效率高、數(shù)據(jù)信息豐富等優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞:激光掃描，非接觸，建筑立面，高精度

　　1概述

　　近年來(lái)，建筑外立面整治改造項(xiàng)目越來(lái)越多。但是對(duì)于老舊建筑，以及曾經(jīng)翻新改建過(guò)的建筑，獲取其原始和改建時(shí)的設(shè)計(jì)施工圖紙已經(jīng)不太現(xiàn)實(shí)，于是在進(jìn)行立面改造的時(shí)候就缺少基礎(chǔ)資料，而且做工程經(jīng)費(fèi)預(yù)算的時(shí)候也缺少依據(jù)。傳統(tǒng)測(cè)繪一般采用全站儀極坐標(biāo)單點(diǎn)測(cè)量的方式，分別采集該建筑的各個(gè)立面特征點(diǎn)進(jìn)行繪圖。由于繪圖軟件一般是基于平面圖作業(yè)的，全站儀獲取的三維坐標(biāo)導(dǎo)入軟件前還需要先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換編輯，此外局部區(qū)域還需要人工量距，作業(yè)效率非常低，精度更是無(wú)法保證[1，2]。

　　以激光掃描為主的非接觸測(cè)量技術(shù)，可以通過(guò)高密度、帶有反射率信息的海量點(diǎn)云，高度還原物體表面，應(yīng)用范圍非常廣泛。考慮到建筑立面改造的需求，如果采用該技術(shù)，作業(yè)效率和數(shù)據(jù)精度將大大提高。另外，在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)再按一定順序拍攝現(xiàn)狀照片，對(duì)于建筑細(xì)部特征的表達(dá)會(huì)更加直觀、完整、立體[3]。

　　2基于非接觸式測(cè)繪建筑立面的作業(yè)流程

　　鑒于三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)等領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用非常成熟，各類文獻(xiàn)對(duì)于三維激光掃描系統(tǒng)工作原理等方面的介紹已經(jīng)比較多，本文不再贅述。

　　2.1軟硬件介紹

　　從儀器設(shè)備測(cè)量模式來(lái)分類，三維激光掃描儀主要分為脈沖式和相位式兩種，一般來(lái)說(shuō)脈沖式設(shè)備測(cè)程較長(zhǎng)，應(yīng)用于土石方測(cè)量、地形測(cè)量等;相位式掃描設(shè)備表達(dá)更為細(xì)膩，測(cè)程相對(duì)較短，應(yīng)用于古建筑保護(hù)較多。隨著硬件的快速發(fā)展，現(xiàn)在越來(lái)越多的掃描設(shè)備同時(shí)具備兩種模塊，可以根據(jù)項(xiàng)目具體需求選擇不同的測(cè)量模式。

　　目前在工程測(cè)量領(lǐng)域，常用的激光掃描設(shè)備有RIEGLVZ系列、徠卡P系列等長(zhǎng)測(cè)程和FARO，RTC360等短程測(cè)量設(shè)備，還有一些手持式、背包式掃描儀，更加輕便。不同設(shè)備各有優(yōu)劣，通常一個(gè)項(xiàng)目可采用多個(gè)掃描設(shè)備結(jié)合使用。軟件方面，隨機(jī)軟件可以滿足絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)處理需求，建筑立面測(cè)量的數(shù)據(jù)處理需求。在繪圖過(guò)程中，可采用AutoCAD，或者EPS繪圖平臺(tái)。

　　2.2作業(yè)流程

　　采用實(shí)景復(fù)制技術(shù)進(jìn)行建筑立面測(cè)量技術(shù)路線流程，主要包括數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段和成果制作階段。

　　3工程實(shí)例

　　本文以重慶某片區(qū)建筑整體改造項(xiàng)目為例進(jìn)行介紹。該片區(qū)共需要測(cè)量399棟建筑，擬測(cè)建筑分布密集，樓間距狹窄，且樓間多有植被或生活廢品，采用常規(guī)測(cè)量該項(xiàng)目無(wú)法達(dá)到委托方的時(shí)間和精度需求。經(jīng)踏勘和研究，本項(xiàng)目采用非接觸式測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了立面測(cè)繪。

　　3.1數(shù)據(jù)采集

　　數(shù)據(jù)采集前在作業(yè)前進(jìn)行設(shè)備檢驗(yàn)，包括儀器主機(jī)各部件及附件應(yīng)匹配、齊全和外觀良好;儀器各個(gè)部件應(yīng)連接緊密且穩(wěn)定耐用;三維激光掃描儀能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、能否獲取數(shù)據(jù)、電源容量是否充足、內(nèi)存容量是否充足、同軸相機(jī)能否同步獲取影像。

　　在對(duì)建筑外立面進(jìn)行掃描時(shí)，掃描站點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)遵循以下原則:需要測(cè)設(shè)掃描站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，設(shè)站點(diǎn)至少與兩個(gè)控制點(diǎn)通視，設(shè)站點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在視野開闊、地面穩(wěn)定、車流量較小的安全區(qū)域;掃描站站點(diǎn)應(yīng)合理設(shè)計(jì)、均勻布設(shè)，盡量減少設(shè)站數(shù)目;測(cè)站的掃描范圍應(yīng)覆蓋整個(gè)掃描對(duì)象;對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通視困難或線路拐角的情況應(yīng)適當(dāng)增加掃描站點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集滿足下列要求:1)作業(yè)前應(yīng)將儀器放置在觀測(cè)環(huán)境中進(jìn)行溫度平衡。2)激光掃描儀應(yīng)按以下步驟操作:架設(shè)掃描站、建立掃描項(xiàng)目、掃描范圍設(shè)置、點(diǎn)間距或者采集分辨率設(shè)置、開始掃描、獲取影像。3)測(cè)站間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊度不低于20%。

　　4)采用區(qū)域分塊掃描時(shí)，相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊度不低于10%。5)掃描過(guò)程中如果儀器工作出現(xiàn)異常，如斷電、死機(jī)等原因，或者儀器位置出現(xiàn)變化，應(yīng)重新啟動(dòng)儀器進(jìn)行自檢、重新開始掃描。紋理圖像數(shù)據(jù)采集最好使用高分辨率要求的單反相機(jī)，單張相片相幅設(shè)置到相機(jī)的最大分辨率，相機(jī)的最小像素不低于1000萬(wàn)像素;影像的拍攝角度應(yīng)盡可能保持鏡頭正對(duì)目標(biāo)面，無(wú)法正面拍攝全景時(shí)，先拍攝部分全景，再逐個(gè)正對(duì)拍攝，后期再進(jìn)行合成;選擇光線較為柔和、均勻的天氣進(jìn)行拍攝，避免逆光拍攝;能見度過(guò)低或光線過(guò)暗時(shí)不應(yīng)拍攝;相鄰照片之間保證有不小于30%的重疊區(qū)域;采集影像時(shí)應(yīng)畫好影像采集分布圖。

　　3.2數(shù)據(jù)處理

　　數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云拼接、降噪抽稀、數(shù)據(jù)裁剪等工作。1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。相鄰測(cè)站間點(diǎn)云重疊度不應(yīng)小于20%，采用不少于3個(gè)同名點(diǎn)建立轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行點(diǎn)云拼接，拼接后同名點(diǎn)的內(nèi)附合精度應(yīng)不大于5cm，應(yīng)采用迭代最鄰近點(diǎn)法改正測(cè)站間的拼接精度，改正后相鄰測(cè)站拼接誤差應(yīng)不大于1cm。

　　2)降噪與抽稀:點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在脫離掃描對(duì)象的異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)時(shí)，應(yīng)視點(diǎn)的數(shù)量采用濾波方法或人工手動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪處理。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀應(yīng)注意掃描對(duì)象表面曲率變化不大區(qū)域應(yīng)用均勻抽稀，抽稀后點(diǎn)云間距應(yīng)滿足制圖的要求;掃描對(duì)象表面曲率變化明顯區(qū)域應(yīng)采用保持特征的抽稀，根據(jù)法向量變化和曲率識(shí)別特征區(qū)域進(jìn)行抽稀。3)彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。選擇點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，根據(jù)相機(jī)與掃描儀的姿態(tài)參數(shù)直接生成彩色點(diǎn)云，著色后的點(diǎn)云在色彩上應(yīng)無(wú)明顯影像接縫。

　　4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)裁剪。將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用軟件裁剪功能將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，獲取的歷史文化資源獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)。5)生成可制圖的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件的分割功能，根據(jù)需要在不同立面進(jìn)行分割，得到可以進(jìn)行制圖的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)用相關(guān)插件(例如CycloneCloudWorx)插入到CAD中，在CAD中運(yùn)用其強(qiáng)大的繪圖功能，進(jìn)行各種圖形的繪制。

　　3.3成果制作

　　在處理好的點(diǎn)云基礎(chǔ)上進(jìn)行立面圖繪制工作。根據(jù)GB/T50104—2010建筑制圖標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，對(duì)建筑立面圖的繪制有如下幾方面的要求:1)立面圖制作應(yīng)包括正立面、側(cè)立面和背立面。2)立面圖應(yīng)按“門窗關(guān)閉”狀態(tài)繪制。

　　3)立面圖應(yīng)反映歷史建筑立面現(xiàn)狀特征。4)對(duì)于曲面結(jié)構(gòu)物，應(yīng)繪制立面展開圖。5)在定位軸線方面，建筑立面圖中，一般只繪制兩端的軸線及編號(hào)，以便和平面圖對(duì)照，確定立面圖的投影方向。6)尺寸標(biāo)注方面，建筑立面圖中高度方向的尺寸主要使用標(biāo)高的形式標(biāo)注，主要包括建筑物室內(nèi)外地坪、各樓層地面、窗臺(tái)、門窗頂部、檐口、屋脊、陽(yáng)臺(tái)底部、雨篷、臺(tái)階等處的標(biāo)高尺寸。在所標(biāo)注處畫一條水平引出線，標(biāo)高符號(hào)一般畫在圖形外，符號(hào)大小一致整齊排列在同一鉛垂線上。必要時(shí)為使尺寸標(biāo)注更清晰，可標(biāo)注在圖內(nèi)，如樓梯間的窗臺(tái)面標(biāo)高。

　　7)建筑材料和顏色標(biāo)注方面，在建筑立面圖上，外墻表面分格線應(yīng)表示清楚。應(yīng)用文字說(shuō)明各部分所用面材料及色彩。8)圖例方面，建筑立面圖上的門、窗等內(nèi)容都是采用圖例來(lái)繪制的。在建筑物立面圖上，相同的門窗、陽(yáng)臺(tái)、外檐裝修、構(gòu)造做法等可在局部重點(diǎn)表示，繪出其完整圖形，其余部分只畫輪廓線。

　　3.4成果檢核

　　采用全站儀及測(cè)距儀量據(jù)的方法進(jìn)行檢核，主要參考的驗(yàn)核依據(jù)為《工程測(cè)量》中細(xì)部測(cè)量的相關(guān)要求。經(jīng)驗(yàn)核，本項(xiàng)目抽查397點(diǎn)，較差超過(guò)7cm的共2點(diǎn)，最大為7.2cm，而規(guī)范要求的中誤差為5.0cm，2倍中誤差作為限差，即10cm，說(shuō)明成果精度滿足要求。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹非接觸測(cè)量技術(shù)用于建筑立面測(cè)繪的關(guān)鍵步驟和主要流程，驗(yàn)證了非接觸測(cè)量技術(shù)測(cè)繪建筑立面圖的適用性和精度，效率和精度優(yōu)勢(shì)非常明顯。但在具體項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，還有許多要注意事項(xiàng)，比如街道狹窄、遮擋嚴(yán)重區(qū)域的測(cè)繪，高層建筑上部結(jié)構(gòu)不容易掃描到等等，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇合適的設(shè)站點(diǎn)，并做好補(bǔ)測(cè)和檢核工作。在內(nèi)業(yè)處理方面，軟件的選擇和作業(yè)順序的確定，也能影響作業(yè)效率和成果質(zhì)量。

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　　作者：楊永波