1、三位激光掃描在舊建筑物改造中的應用摘要：本文提出將三位激光掃描技術應用于舊建筑物改造過程中；三位激光掃描技術能夠快速、高效、高精度的獲取測量目標的表面三維數據，進而快速、高效的獲取舊建筑物的高精度平面、立面、剖面圖，為舊建筑物改造設計、工程量計算、造價等提供基礎。結合工程實例，分析總結三維激光掃描在舊建筑物改造中應用的一般流程和點云數據處理方法。關鍵詞：三維激光掃描；舊建筑物改造；點云；1 引言 隨著時間的推移，許多舊辦公樓出現了不同程度的飾面老化，設施落后、屋面漏水等問題。同時隨著信息產業的發展，智能化水平的不斷提高，辦公方式也發生了翻天覆地的變化，老舊辦公建筑的空間布局與現代辦公的需要顯得

2、格格不入，以至于不能很好的滿足現代辦公的需求所以一些職能部門辦公樓的硬件設施亟需重新建設。在這種情況下，大部分地區對這些辦公樓采取的措施就是簡單的拆除重建，不僅造成了環境污染，同時也造成了巨大的資源浪費。隨著人們生對環境污染認識的提高和資源危機意識的增強，社會上對舊建筑再利用的呼聲也日益高漲，有計劃的對舊建筑進行適應性改造及再利用是大勢所趨，而平面圖，立面圖和剖面圖是舊建筑改造的根本。平、立、剖面圖可以為建筑物改造重新設計，制定改造方案，改造工程量初步計算等提供依據。傳統的繪制建筑物平立剖面圖的方法有如下幾種：一是用皮尺量取建筑物長度，層高等建筑結構相對幾何關系進行繪制，這種方法投入的儀器設備

3、少，不受場地影響，但所獲得的測量數據少，人工費用高，精度低，效率低。二采用全站儀獲取建筑物三維坐標，配合野外繪制的草圖并使用相機拍攝圖片然后進行繪制。這種方法投入設備多，人員多，工作量大且在人流量、車流量大的地區不易測量，存在一定的人員安全風險。地面三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度的立體掃描技術。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，實現實體真實、完整和精確的三維復制，為快速獲取建筑物平面圖、立面圖和剖面圖數據提供了一種全新的技術手段。2 三維激光掃描儀工作原理三維激光掃描儀的主要

4、構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標。以Riegl VZ-400三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進行垂直方向掃描，水平方向則以伺服馬達轉動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數據。地面型三維激光掃描系統工作原理：三維激光掃描儀發射器發出一個激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑

5、反向傳回到接收器，可以計算目標點P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標。 圖1 掃描點坐標計算原理圖 圖2 地面激光掃描儀測量的基本原理 （1）3 外業掃描三維激光掃描應用于舊建筑物改造過程中的作業流程，如圖3所示。 圖3三維激光掃描作業流程3.1外業踏勘為了對實際工程進一步的了解，更為了制定有效可行的技術實施方案，必須對實地建筑及周邊環境進行踏勘巡視，根據建筑物的高度、掃描儀的仰角及掃描儀的掃描距離和遮擋情況確定掃描位置

6、。由于建筑物內部結構復雜，對建筑物內部踏勘也是非常重要的。在踏勘過程中，應了解實地建筑具體構型，查看建筑物周邊環境形態，根據目標建筑物的實際情況及項目的要求。初步制定三維激光掃描路線，合理擬定布設掃描站點。3.2 點云數據采集建筑物平面、立面、剖面圖不要求絕對坐標，所以不需要與控制網進行聯測。但對建筑物結構的相對距離要求較高。在具體從某一方向對目標進行掃描時，測站布設要保證兩兩測站之間至少有15%30%的重疊，便于后續內業點云匹配，建筑物外立面掃描時測站間距最好保持在50m100m，每測站距建筑物距離不應太大，控制在100m左右，保證精度；注意掃描作業時， 應確保所選擇的測站能完全覆蓋測區范圍

7、測站需要且將建筑物包圍。建筑物內部掃描時，由于建筑物內部結構復雜且內部結構相似需采用標靶球，擺設標靶球時注意在各相鄰測站重合的位置布設3個以上形成不規則圖形的標靶球，便于后期點云配準。由于常規的建筑在結構上具有對稱性，門窗結構的尺寸的統一性，而照片可以確定建筑的總體樣式， 門窗之間的拓撲關系 細節照片能夠顯示建筑附屬物相關信息，因此為了后期繪圖方便，在對建筑物掃描的同時也用高清數碼相機對建筑物進行拍照。4 數據處理及成果圖繪制4.1點云配準在對建筑物內部進行掃描時，由于建筑物內部結構復雜，一站掃描不可能獲取一層建筑物的全部信息，而不同掃描站獲得的點云分別存在于各自的測站坐標系，因此需要將各個測

8、站的測站坐標配準到統一的坐標系中。同樣對建筑物外立面掃描時以一站掃描也無法獲取目標建筑物的全貌，也需要將各個測站的局部坐標配準到統一的坐標系中。點云配準一般分粗配準和精配準。首先是粗配準，粗配準是基于兩站建筑物幾何特征（或標靶球）的配準，選取兩站的至少三對同名點，以匹配點對的幾何特征為依據，計算剛體變換矩陣，進而完成粗配準。粗配準只是將多個局部坐標系的點云大致地對齊到同一個坐標系中，精度不高。粗配準結束，采用ICP最近點迭代算法精確配準，提高配準精度。4.2成果圖繪制（1）平面圖繪制用三維量測方法繪制平面圖。該方法是作業人員在三維點云數據處理軟件中以立體觀測模式選取點、面，然后進行立體模式特征

9、點提取并進行測量，在量測中，同一采集尺寸測量3次，每次測量的誤差小于0.4cm，取3次平均值作為量測數據。三維量測作業模式如圖4所示。根據測量結果在天正軟件中進行繪圖。首先繪制墻體，勾畫出建筑平面尺寸，平面尺寸需與外立面的尺寸統一，然后根據門窗在外立面圖上的位置， 繪制不同層平面圖，并根據建筑的實際情況， 繪制墻體軸線并標注。圖4三維量測作業模式（2）立面圖繪制用制作切片投影描圖方法繪制外立面圖。該方法首先對點云數據分割和抽稀制作切片，然后進行投影，以DXF格式導出，并導入到AutoCAD中進行描圖。點云切割是把完整的點云分割成若干個相互獨立的點云塊，可對單個塊進行編輯和操作，其它塊不會參與運

10、算，這樣可以提高計算機的運行效率。由于點與點之間有空隙，在正視圖和后視圖中，前后的點云會重疊在一起， 造成視覺混亂；在左視圖和右視圖中，也會出現類似的情況。為了消除前后點云對視覺的影響，可以采用切片的方法解決。在不影響繪圖精度的情況下，對制作好的切片進行抽稀，以減少點云數據量，然后在抽稀后的切片上選擇不在一條直線上的三個點進行平面擬合，擬合出來的平面就是投影面。然后將切片數據以.pts格式導出并導入到laserscan（廣州市城市規劃勘測設計研究院研發的軟件）軟件中進行投影，以DXF格式導出。然后導入到AutoCAD中進行描圖。制作好的切片如圖5所示。立面圖繪制也可以采用三維量測模式進行繪圖。

11、圖5 制作好的切片（3）剖面圖繪制天正或斯維爾軟件可以根據繪制好的平面圖直接生成剖面圖。首先將繪制好的各平面圖保存為各自的文件到一個文件夾內（平面圖的對象必須要使用天正工具繪制的，比如墻體要用天正墻體工具畫，用線條畫不能生成立面和剖面的）；點擊側欄天正工具條的文件布圖工程管理，點下拉箭頭新建工程，在下面的樓層表里根據所繪制的平面圖建立樓層表，取名存盤；點擊側欄天正工具條的剖面建筑剖面，建立剖面線和選擇剖面線。然后按提示操作即可生成剖面圖。剖面圖繪制也可以采用三維量測模式進行繪制。5 工程案例現以廣州市海珠區某辦公建筑群為例，該建筑群有五棟十層的辦公樓，辦公樓里的小隔間大部分已經拆除。在項目中，

12、采用Riegl VZ-400和Focus3D X 330三維激光掃描儀，高清數碼相機進行外業點云數據采集。同時采用相應配套點云處理軟件RiSCAN PRO和 SCENE進行三維量測和切片制作。然后采用AutoCAD和天正軟件進行繪圖。5.1 外業掃描由于本次測繪項目的建筑物外立面和建筑物平面圖不要求有連續性，所以不需要布設控制網。本次掃描投入兩臺三維激光掃描儀分別是 RiegL VZ-400、Focus3D X 330三維激光掃描儀，為提高工作效率加快野外作業分兩組進行掃描作業。由于被掃描建筑物周圍環境復雜，布設的測站要包圍建筑物保證掃描到建筑物的各個立面，RiegL VZ-400掃描儀測量距

13、離遠、掃描速度快，因此用RiegL VZ-400掃描儀對建筑物外立面進行掃描，用Focus3D X 330三維激光掃描儀掃描建筑物內部。由于建筑物內部結構復雜，一個測站不可能掃描完一個樓層，建筑物內部相似性高，所以對建筑物內部掃描作業時要擺設標靶球，需要在各相鄰測站重合的位置布設3個以上形成不規則圖形的標靶，以供點云拼接需要。建筑物內部掃描時，結構相同的樓層只對一個樓層進行掃描，不同結構的樓層要逐層進行掃描。掃描作業時要畫作業草圖記錄測站的相對位置，以供點云拼接需要。5.2 繪制成果圖用上述繪圖方法分別繪制平面、立面、剖面圖。成果圖如下圖所示。本項目從簽訂合同到項目介紹共10天，外業一天半。內

14、業一周成圖，成圖檢查半天，修補測一天。內業成圖外立面20幅，平面圖20幅，剖面圖10幅，其中內業成圖只有三個人，一個人是第一次接觸點云成圖。三維激光掃描技術極大地提高了作業的效率。 圖6平面圖 圖7立面圖 圖 8剖面圖6結束語由于土地和經濟等多方面原因今后，我國至少大城市的舊建筑物改造的份額將逐漸增多。本文提出將三維激光掃描技術應用于舊建筑改造過程總，解決了傳統測量技術獲取舊建筑數據效率低，數據精度不夠高且無法準確體現舊建筑立面現狀的問題。三維激光掃描技術極大的提高了外業數據采集的效率，減小了測繪工作者外業的工作強度并確保了數據質量。如何提高三維激光掃描內業成圖效率，減少人工輔助測量及如何實現自動化成圖是以后的重點研究方向。 參考文獻1 王峰, 林鴻, 李長輝. 地面三維激光掃描