刘凡
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摘要：本文以广州市三旧改造项目为依托，探讨了三维激光扫描技术在某沿街建筑立面测绘项目中的外业数据采集、点云数据处理、立面图的绘制、精度检验等技术环节，同时对作业效率进行了分析，总结了新技术的优势及在项目实施过程中的不足之处。
关键词：三维激光扫描技术；三旧改造；GPS；精度
1引言
近些年，广州市实行三旧改造政策，三旧改造是对“旧城镇、旧厂房、旧村庄”进行改造，其对于改善城乡人居环境、推进节约集约用地、加快城镇发展具有重要的意义。三旧改造涉及小区建筑外立面美化、楼宇亮化、市政设施配套优化，故其细节繁杂、需要精准的基础资料。传统的全站仪测量方式在全面获取建筑物的相关信息时工作效率低，无法满足旧城改造工程的需求，而三维激光扫描技术可一站式对可视范围内的物体进行扫描作业，再经过专业软件绘制出各种成果图件，该方法效率高，不受光线条件的影响，能够得到被测物的空间坐标和色值的全部信息，目前，该技术已得到越来越广泛的应用。
2三维激光扫描技术概述
2.1三维激光扫描技术原理
三维激光扫描技术发展于上世纪90年代，该作业方式具有非接触、高效率、高密度和数字化等特点，被称为继GNSS导航定位技术之后测绘领域的又一次技术革命。三维激光扫描系统类似于传统测量中的全站仪，由激光扫描仪及控制系统、内置数码相机、后期处理软件等组成，在仪器内，通过两个同步反射镜快速旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，通过测量时间或相位差计算距离，再根据脉冲激光发射角度，计算出被测点的三维坐标。
2.2三堆激光扫描技术的优势
（1）操作简便，作业效率高。传统的全站仪测量方法，需要一个人架站，一个人跑点，复杂的房屋往往还需要再配一个人绘制草图。而使用扫描仪测量，只需要一个人完成架站，仪器便可自动工作。
（2）绘图直观，无需草图。由于是把周围环境数字化，在内业绘图过程中，作业人员面对的就是点云构成的实景，建筑结构一目了然，降低了外业数据向内业图形转化过程中的错误率。
（3）方便设计，减少现场查勘。传统的测绘成果仅为简单的线划图，缺少对现状物体细节信息的表现，作业人员往往还需结合大量的现场查勘。通过三维点云绘制的图件信息，以实际影像作为底图体现在成果资料中，作业人员可以通过底图随意提取所需要的带有实际尺寸及位置的细节信息，直观地绘制出各种成果图件。
3应用实例
3.1项目背景
广州市三旧改造项目在市政府的督促下全面展开，其中沿街建筑的立面测绘工作较为繁琐，任务量大。沿街建筑风格多样，高低参差不齐，大部分建筑立面采用普通测量工具不能触及，只能目测，不少建筑被树和灌木丛遮挡，再加上时间紧、任务重，给工作人员带来了压力，同时也给测绘新技术提供了展示其卓越能力的机会。
3.2外业数据采集
三维激光扫描仪在外型上与全站仪并无两样，操作上比全站仪更加容易上手，自动化程度更高，无需对中，仅需整平，根据项目需求设置好扫描分辨率之后，便可自动对仪器周围环境进行360度的扫描。外业数据采集在仪器操作方面一般难度不大，但需要注意站点位置选择。(1)架站点与待扫描立面之间的入射角要尽量接近直角，以获得更多的有效扫描点，要避免入射角太小的情况。(2)当扫描独幢房屋时，可以不考虑站点之间的拼接，某一站只扫描某一个特定立面，但在一整条街道的建筑立面扫描过程中，站点拼接可以形成整条街道的点云数据，有利于提高后续内业效率，在不使用标靶球等其他辅助道具的情况下,应考虑站与站之间有足够的重叠，只有保证了两站数据之间有足够的重叠数据，才能完成数据拼接。
(3)某些街道路面较窄，两侧建筑较高，当仪器架设在路面上时，建筑物的高层部分会存在采集点稀疏的情况，这时如能巧妙借助两侧建筑的顶层露台进行架站，会有意想不到的效果。(4)道路两侧多行树，乡镇街道各户店面门前也较杂乱，为保证扫描数据的完整性，在遇到遭挡的情况下需要适当加站。总之，良好的站点选择可以大幅减少外业架站数，提高扫描数据的完整性和直观性，从而提高内业效率和质量。
3.3内业数据处理
（1）点云数据处理
激光点云定位定向，定位前，将IMU和GPS数据进行分离，将分离出来后的GPS数据进行定位解算，根据GPS天线坐标信息计算激光扫描仪处的坐标信息，GPS天线偏心分量由实测获得；IMU偏心分量和IMU与激光扫描仪相对位置取标定资料提供的值。联合POS数据解算结果，确定每一个激光点的绝对坐标值，实现点云数据的定向。经过以上对POS数据的解算和激光点云的定位定向的预处理，即可将已预处理的点云数据导入Terrasolid软件里，生成该街区的点云俯视图。通过使用软件内的工具沿着街区房屋截面的方向框选出合适的大小，值得注意的是宽度以能看清房屋立面信息为标准，不宜过宽或过窄，过宽会导致房屋面被其他东西遮挡，过窄会导致立面信息不全。之后，在软件内的另一窗口获得该房屋的立面点云信息。
（2）绘制立面图
街道立面图主要需要反映出房屋临街一面的外轮廓，以及建筑物的屋面、屋脊、屋檐、门窗、阳台、台阶、围墙、柱等建筑外貌形状和特征。通过软件内的工具，可直接在该点云上进行描绘：在Terrasoild 软件上绘制立面图完成后可经过二维转换到AutoCAD软件中继续进行该立面图的后处理。后处理主要是对立面图进行颜色分层，轮廓外框接边处理并对其标号。
3.4精度检验及效率分析
利用全站仪对部分已测房屋的长宽进行检查，以检验利用三维激光测量系统作出的街区房屋立面图的精度，选取房屋大多数为普通平房，立面无复杂结构，全站仪能够一次性测量长宽，不会发生误差的累计。
经检验，该系统相对误差在2cm-3cm，最大误差在8cm。一般8cm的精度并不影响设计部门对街道立面的整体设计，完全能够满足精度要求。
在外业效率方面，全站仪测一幢普通民房的单个立面需要两个人，用时10分钟左右，一人画房屋草图，一人测量，测量时间随房屋立面的复杂度而延长。而三维激光测量系统只需较短时间就能测完多幢房屋的立面，即使采用地面激光扫描的方式，也只需一个人，每站用时2分钟，测量时间不随房屋的复杂度而提高。而在内业效率方面，传统方法需要对数据进行展点，长度计算，再跟草图进行对比，最后绘制出立面图；而三维激光测量系统可以在导出数据后直接在点云上进行描绘，再经过简单处理直接出图。经比较，内业出图效率比传统作图高出3倍。
4结束语
三维激光扫描技术的应用，为按期、高效地完成城市三旧改造任务提供了强有力的保障，也为今后开展类似项目提供了一个新的解决方案。相比于传统的测量方法，三维激光扫描技术在数据采集效率和成图精度上均有较大提高，减少了人力物力的投入，缩短了测量时间，降低了测量成本。它的不足之处在于街道两旁的植物或杂物会对街区表面信息的采集形成速挡，然而这一困难同样也会出现在全站仪测量建筑立面的时候。总的来说，三维激光扫描技术在三旧改造任务中的成功应用，为以后解决此类项目提供了一个新思路，具有重要意义。
参考文献：
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