传统的建筑物测量通常采用全站仪配合GNSS测量技术进行建筑物的立面测量，通过点位坐标对建筑物立面进行描述，但对于复杂的大型建筑物，采用点坐标的采集工作量大，对建筑物的描述也不够全面和准确[1]。三维激光扫描技术具有非接触、面测量、高精度的特点[2]，解决了从点测量到面测量的问题，因此，本文提出基于三维激光扫描技术开展建筑物立面测绘。1三维激光扫描技术原理三维激光扫描系统由扫描仪、控制器以及存储中心构成。其中扫描仪由激光发射和接收装置、时间记录系统和可旋转的CCD相机、滤光镜等部分组成。三维激光扫描技术的工作原理是利用激光发射器将激光脉冲信号发射，信号接触到建筑物表面发生了发射现象，回波反射到系统接收器中，发射装置发射信号与接收装置在接收信号的时间差即为信息的传输时间[3]。根据激光测距原理，对建筑物上某一点P进行观测，激光脉冲在P点反射回接收装置，根据光的传播时间即可计算出P点到激光测距仪的距离，根据激光的横纵向测量角度，计算P点的三维坐标信息。三维激光扫描仪并不是直接获取被测物体三维坐标，而是通过记录激光的发射与反射时间以及激光的反射水平角与竖直角，计算物体表明的三维坐标。S=1/2CΔtx=Scosθsinαy=Scosθcosαz=Ssinθ （1）式中：C——光速；Δt——激光的传播时间。三维激光测图原理如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.038.F001图1三维激光测图原理2控制网的布设采用全站仪和GNSS静态测量开展测区控制网的布设。被测建筑物处于繁华的闹市区，周边建筑物、树木等干扰因素过多，不适宜在建筑物周围开展静态测量[4]，所以选择在离建筑物较远的空旷区域开展静态测量监测工作。GNSS静态测量布设E级控制网，获取基准点点位坐标信息后，采用全站仪支导线的方式，将坐标信息传递到建筑物附近点位，在建筑物周围布设闭合控制网，对控制点坐标进行平差，确保控制点的精度可靠。对于一等点云测量这类高精度的观测工作，要单独设置控制点位。GNSS测量、导线控制测量以及高程水准测量操作必须满足相关规定，精度满足测量需求。在控制点上架设三维扫描仪，架设三维激光扫描仪时要对中整平，脚架踏实，确保测量时仪器的安全稳定。经实地踏勘，在目标建筑物周边设置3个站点进行三维数据的扫描工作，站点S1和站点S2设置于建筑物正对面，S3点布设于建筑物侧面。控制点布设如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.038.F002图2控制点布设3三维激光扫描的立面测量3.1数据采集研究对象为一栋4层楼房，整栋楼位于繁华的街道，街道两侧有经营的门市和高大的乔木，车辆、行人较多，周边情况较为复杂。建筑物楼层最高为4层，东侧为3层，呈现一个侧倒的“L”形。建筑物立面上有窗户、空调、标识符号等，立面信息丰富且全面。根据设计的方案进行数据采集工作，通过操控点云采集软件对目标进行数据采集，第一次设置采集分辨率为10 mm，对建筑物及周边环境进行全景采集，对测区的信息进行采集。初次扫描结束后，将三维激光扫描仪的扫描精度改为2 mm，对目标建筑物进行精确细致扫描。在扫描过程中，实时查看传输的数据进度，检查点云数据的完整性与准确性。如果发现点云数据缺失或数据存在异常情况，应在现场及时组织补测工作，确保一次性完成数据采集工作，防止返工。不同测站之间的扫描数据要确保有至少30％的重叠率，确保不因移动测站遗漏扫描信息。每一站的扫描时间约为20 min。本次扫描作业共计获取3个测站的建筑物扫描点，测站间的扫描点重叠区域大于30％。从不同的拍摄角度共计获取像片数量为10幅，相邻像片间的重叠区域也不小于30％。将获取的单测站点云数据在Geomagic Studio中打开。获取的单站点云数据如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.038.F003图3获取的单站点云数据3.2点云配准点云数据配准是三维模型建立不可缺少的关键步骤，激光扫描仪扫描范围有限，因此设置多个站点对同一建筑物进行扫描，每个测站获取的数据需要进行平移、旋转等操作才能进行组合，这个过程就是点云配准。点云配准实际是独立坐标系转换，将两个处于不同坐标系下的数据通过七参数法转换到同一个坐标系下，包括三个平移参数以及三个旋转参数[5]。本次配准采用基于不同测站间的公共点进行数据配准。基于公共点的点云配准结果如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.038.F004图4基于公共点的点云配准结果3.3点云去噪采集点云数据时会受到测量环境的影响，测量范围内的行人、车辆以及周边植被都会对采集产生影响，点云数据中会包含很多噪声点。噪声点不仅影响数据的处理速度，还对三维模型的精度造成影响，需要对点云数据进行处理，剔除噪声点。扫描时间段内周边的行人与车辆较少时，点云噪声点多为树木的枝丫以及空气中悬浮的尘土。对于数据量较多且肉眼能直接分辨的噪声点，直接选中删除即可；对于空气中尘土杂质，可通过数据处理软件中的“采样”功能剔除；剩余的噪声点为离散的、距离模型较近的，不适宜手工删除，因此可采用软件中的“去噪”功能剔除。3.4数据精简扫描过程分区域进行，测站与测站间的扫描数据存在部分重叠，数据中存在很多冗余点。前期扫描时，为了确保扫描的精度满足要求，采集的分辨率较高，因此需要对点云数据进行精简。在软件中通过“重新采样”功能，对点云数据进行精简，将点云数据变稀疏，在此过程中，删除的点并不能减少点云数据的细节数据，因此点云数据精简可极大降低数据量，并保存好点云数据的特征。点云数据精简如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.038.F005图5点云数据精简4立面图生成建筑物的立面主要体现建筑物的侧面信息，包括建筑物的宽度和高度、门窗等结构以及表面的装饰造型等。采用点云数据进行建筑物的立面构建，精度依赖于点云精度。采集点云数据时，已将建筑侧面的纹理信息采集完成，因此可以更细致地表现建筑物的立面信息。点云数据的数量级很大，采用CAD处理极易出现卡顿现象，因此需要对点云数据进行分区处理，采用CAD绘制立面信息。立面的绘制方法主要有两种。其一，根据生成的三维模型，提取立面的关键点和关键线，采用CAD软件根据关键点和关键线绘制立面图；其二，通过点云模型采用平面投影的方法获得投影数据，然后进行立面图的绘制，该方法可降低冗余点云的影响，采集的效率较高。本文选用第二种方法进行立体面数据采集，结合点云数据和采集的像片数据，采用CAD进行数据采集。将点云数据导出格式设置为“.las”，将坐标系改为CGCS2000大地坐标系，定义坐标轴，导出数据。采用Recap将“.las”数据格式转换为“.rcp”。将点云数据通过“附着”功能进行加载，在CAD软件中将点云数据的坐标系与采集数据的视图方向调整一致，叠加点云数据的投影正射影像进行数据采集，并绘制图像。建筑物正面立面如图6所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.07.038.F006图6建筑物正面立面5结语本文基于三维激光扫描技术对建筑物的立面进行测量，得出三维激光扫描技术能够对建筑物进行快速、高精度测量。基于三维激光扫描技术，结合全站仪的控制网布设，开展临街建筑物点云数据采集，详细介绍三维激光扫描仪测量建筑物立面的关键步骤，重点设计采用全站仪控制网布设方案，阐述数据采集特点及需要注意的事项，获取测量目标的点云数据。对获取的点云数据经过预处理、点云配准、点云去噪以及数据精简等步骤，获得精简后的点云数据，采用CAD绘制建筑物立面图，为城市建筑物立面测量提供参考。