三维激光扫描技术在老旧小区改造中的应用_余其富.pdf

79三维激光扫描技术在老旧小区改造中的应用余其富1尹华丽21.广东南方数码科技股份有限公司长沙分公司湖南长沙4100162.湖南航琳信息技术有限公司湖南长沙410016摘 要：近年来，政府通过持续推进老城区有机更新，重新梳理整合城市空间，建筑整治、配套完善、传统文化挖掘、城市品质提升等改造工程，实施过程中很难找到和现场情况匹配的结构图纸资料，本文提出用三维激光扫描技术激光测距的原理，高速、实时、主动获取测量目标的表面三维坐标，同时利用无人机倾斜摄影获取楼栋顶面附属设施现状，形成高效化的工程测量模式，确保测量结果的精准性，为老旧建筑物改造设计、工程量计算、造价等提供基础。结合项目案例，分析总结三维激光扫描和倾斜摄影在老旧小区改造中的应用和点云数据处理方法。关键词：三维激光扫描；老旧小区改造；倾斜摄影、点云数据DOI:10.19569/119313/tu.2023180271 概述随着城市规模的发展，为了更好地提高城市治理能力，完善机制、加强法治，对老旧社区进行提质改造是一个促进城市发展的重要途径，有利于提升城市精细化管理水平，推进城市内涵式发展，把城市建设得更加宜居宜业。通过城市更新的理念推进旧区改造，按照“先基础后完善、先功能后提升、先地下后地上”的原则，以微改造见大成效，进一步处理好留、改、拆之间的关系，保护和延续好城市文脉，彰显城市特色，激发区域活力，并推动中心城区能级和首位度的提升。对需要改造的社区进行提质改造、分析规划，需要利用无人机、三维激光扫描仪等先进设备，进行全方位立体式测量，获取老旧建筑的顶面和外立面的测量成果图。2 三维激光扫描系统组成和特点三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统的主要组成部分，是由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机以及软件等组成1。三维激光扫描技术的特点如下：（1）实时、动态、主动性。三维激光扫描系统为主动式扫描系统，自动发射测量信号，不需要外部光源配合，可在白天和黑夜工作，提高了工作效率。（2）高分辨率、高精度和高密度。激光扫描能够以高精度、高密度的方式获取被测物体表面特征和细部特征，同时获取点云数据。扫描过程由仪器内部电子设备自动控制，减少了人工干预，避免引入偶然误差，保证测量成果的精度。（3）自动化采集。数据采集自动化是测绘工作中社会发展的的趋势，不可逆转，满足了现代测量的需求。（4）扩展性强。三维激光扫描技术可以与内置或外置数码相机和全球定位系统配合使用。外置数码相机，可满足项目中对物体彩色信息的采集；结合全球定位系统，可进一步提高测量数据的准确性。（5）非接触测量，适应性好。三维扫描系统是一种主动式的测量系统无需和被测物体接触，无需合作目标，不需要安置反射棱镜，可以直接获取目标物表面点的三维的高分辨率的数据，而且目标物的表面也不用进行任何处理，所采集到的数据完全真实可靠，突破了传统测量技术在环境恶劣、目标危险、人员无法到达而不能测量的缺陷，因此，在简化了测量工作的同时也保证了测量人员的安全，避免了他们在复杂危险的环境下作业，在解决目标危险或人员无法到达的情况下，具有非常明显的优势2。（6）扫描速度快。随着科技发展，三维激光扫描系统集成技术日臻完善，目前扫描仪的采样率可达数几十万点/秒至数百万点/秒，减少了有效工作时长，方便数据更新。3 技术路线和方法三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它是利用激光测距的原理，通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取物体表面各个点的(x.y.z)坐标、反射率、(R.G.B)颜色等信息，由这些大量、密集的点信息可快速复建出1:1的三维点云模型，为后续的内业处理、数据分析等工作提供准确依据3。该技术在测绘工程、变形监测、文物古迹修复与保护、老旧建筑改造、建筑监测、灾害评估、数字城市、军事分析等领域得到广泛应用和探索，见图1。图1 老旧小区改造工程测绘项目工作流程图4 资料收集、踏勘首先对需要测量的房屋、房屋附属等建筑物进行资料收集并踏勘，了解测量楼栋位置和周边环境，对测站和航飞路线进行规划。技术探讨805 规划测站位置了解楼栋的特点和难点，根据楼栋的实际情况在地形图上预设测站点，尽量避开遮挡物，减少外业测站次数，降低后期内业点云配准的难度，加快外业的采集效率。6 数据采集6.1 设备准备设备准备：扫描仪主机（有效距离150米以内）、电池、脚架、SD卡、脚架连接器、手机、纸笔。测量对象：指定的房屋测量区域，扫描对象有房屋及其房屋附属。天气要求：如有小雨应打伞，如遇到较大雨水天气应更改测量时间，若有彩色扫描需求应选择晴天进行扫描，大雾天气可以正常进行扫描测量，尽量在人体适宜温度条件下工作。6.2 测站选择扫描开始前可参考地形图数据现场调整扫描站点，扫描站点分布尽量均匀，扫描站点之间应有30%重复区域，对于重点扫描区域应多角度多方位架设站点保证扫描数据90%以上完整性。6.3 立面数据采集建筑外立面是构成建筑的重要元素，作为建筑的外在表现，不仅能够为建筑物遮风挡雨，同时也是文化的表征，以不同的材质、色彩、造型体现建筑的形象与风格。外立面采集的内容包括建筑物外轮廓、女儿墙、门窗（含防盗窗）、外墙水管、燃气管、水表箱、电表箱、空调机位、广告牌、楼梯扶手、楼梯墙面等要素。图2 外立面采集效果图数据采集可由两人负责，一人负责建筑外立面拍照、绘制外业架站草图，一人负责用扫描仪进行扫描。保证扫描仪器的扫描距离和范围能够达到建筑物顶部，每一个测站尽可能多采集建筑物的细节，从而提高数据采集的效率。选择测站的时候应考虑周边环境条件，如围墙、来往车辆、树木、仪器本身测量距离的要求等。根据周边环境及老旧小区建筑物改造细节情况来设置测站，尽可能提高数据采集效率，同时保证测量精度，另一组人员同时开展外立面拍照工作，同时根据测区任务检查是否有遗漏。每一测站完成扫描后，及时检查数据采集完整情况，及时发现并补测因周边车辆、围墙、树木、建筑的遮挡等导致无法采集完整的地方，测量的误差应控制在小于0.5cm。为保证外业扫描效率，扫描仪器要备足后备电源，每次完成任务后，及时进行扫描数据预处理、相片归类等工作，见图2。6.4 平面数据采集对于屋顶的数据采集，通过无人机航飞来采集房屋屋顶附属设施信息，提高采集效率。6.4.1 航线规划根据楼栋的密集度和楼栋的高度提前规划航飞路线，同时设置好航带的重叠度，无人机进行作业时数据要采集完整，确保后期数据建模一次性通过。6.4.2 倾斜摄影本次倾斜摄影选用大疆无人机御2进行数据采集，起飞前要检查飞机电量、内存卡，根据现场情况调整好相机参数，全自动化作业模式，任务采集完成后自动降落。一次采集的照片数量在300张至500张之间。7 数据处理7.1 平面数据处理倾斜数据三维建模：无人机倾斜摄影获取数据完成后，要在控制端对获取的影像进行质量检查，使获取的影像满足质量要求，否则要对相关区域进行重飞，随后建模的流程有导入影像、数据定向、空三解算、立体建模。导入影像：ContextCapture在处理影像数量较多或较大的任务时，首先应依照航线图的特点将航飞区域分成多个区块进行处理，每个区块导入500张照片数据，然后对每个区块依次进行点云提取和立体模型建立，最后再进行合并、提取纹理4。导入的影像必须是依据航线且连续，中间不能有空洞。数据定向：多视图三维重建技术在ContextCapture软件中可以实现，它能自动计算出照片的姿态、位置等，其内定向、绝对定向及相对定向可不用人工干预，能自动完成。经过检查无误的数据分组导入ContextCapture中，自动定向及生成点云数据。空三解算：空中三角测量主要是利用原始影像数据、相机参数、无人机POS文件以及相片测量控制点等，对控制点加密计算与测量，为测区范围内其他缺少测量控制点的部分，提供绝对定向的控制点，进行空中三角测量应分区计算，求得加密点的高程和平面位置的测量方法5。立体建模：用常规测量方法，测量每一个点的费时需要2-5秒，有些困难的测量点位，可能要花几分钟的时间，传统方法采集数据进行三维建模存在很多问题。ContextCapture能从无人机航拍的原始照片数据中提取带有坐标信息的点云数据，快速重构出目标的三维模型即线、面、体、空间等各种数据，从而再现现实事物的形态特性，是继GPS技术以后又一项测绘技术新突破。建模的流程一般根据软件提示进行操作，对建模过程中有问题的部分进行单独处理6。成果输出：模型建完后建筑物的大小、高度基本贴合实际情况。可以根据不同的采集软件导出需要的数据，本次技术探讨81导出的数据格式为osgb格式。平面数据采集：将三维模型数据加载到CASS3D软件中，通过对模型中房屋的特征点进行房屋屋顶平面的绘制。绘制完后的数据导入到CAD软件中对图形进行尺寸标注、材质注记和图面修饰，修饰完后和立面图进行数据合并。7.2 立面数据处理点云数据预处理与初始模型建立：对外业数据进行预处理，如消除杂点数据，补充遗漏数据，平滑噪声数据等，通过点云数据预处理可以使数据更加完整、规范、准确。外业数据的质量由扫描仪的机器属性、扫描环境和扫描方式等各方面的不确定性因素共同决定，数据获取过程中会引入各种误差，这会降低测量数据的质量，为了能获取测量目标物的真实特征，达到立体建模、提取各个部件要素的要求，就需要对原始数据进行点云配准、点云去噪、点云滤波、精简等预处理。点云配准：由于测量作业时物体遮挡、扫描仪的倾角限制等客观的原因，要完成对一个建筑物的完整三维数据获取，地面三维激光扫描仪需要多角度、多测站进行扫描，通过各个方位不同角度对该目标进行多次测量，得到不同测站上的点云数据，就需要通过点云配准将多测站扫描数据拼接到同一坐标系下，以获取建筑物表面完整的形状信息。点云去噪：三维激光扫描所见即所得，视场内所有能反信号的物体均被扫描仪所获得，其中包括大量的项目不需要的点云，统称为噪点，包括行人、车辆、草地，树木以及水面倒影和太阳的光晕。这些点不但增加了数据的容量，还严重影响对地物特征点、线的判别，所以要对点云进行去噪7。在去噪时，视图应设置成正射模式，不能设置为透视模式，通过删除噪点得到目标点云。点云滤波：有些楼栋经过点云处理和去噪后的数据量还是相当大，这将会影响立面图导出软件无法承载，需要利用滤波器或滤波算法过滤掉不感兴趣的数据。立面裁剪：滤波抽稀完后的模型数据不能直接用于数据采集，需要对模型进行裁剪提取房屋东南西北四个立面，对于结构复杂的则需要提取多个立面图，裁剪完后导出为JPG格式的图片。立面数据采集：立面数据采集可以通过CAD软件进行采集，将提取的四个方向立面图导入到CAD软件中，按1:1比例进行缩放。附属构件采集参照点云和照片数据采集，需要采集外立面轮廓、门窗、广告牌、楼梯口、楼梯扶手、自来水管、燃气管、水电表箱等要素，同时需要对管径大小和材质、墙面材质、门窗尺寸、楼层高度、女儿墙高度进行标注和图面修饰。8 成果质量检查8.1 外业检查内容1、要核实房屋实际的尺寸与图纸上的尺寸是否存在较大误差，并要在图纸上做好记录。2、检查外立面图和楼梯间立面图是否漏要素，如有缺漏需要对缺漏要素进行采集并在图纸上标注缺失要素位置。3、外业检查需要核实立面要素尺寸大小、同时需要检查要素间的位置、距离是否正确。8.2 内业检查内容1、内业需要参照底图核实有无丢漏数据，如有缺失应做好标识。2、检查图面是否存在遮挡物遮挡无法采集的要素数据。如有则记录并反馈给外业人员补测核实。3、根据参照底图核实采集要素是否采集精准，偏差过大则需记录反馈给外业重新修改。4、检查图面是否整齐、美观，文字注记、尺寸标注是否统一。9 结束语通过三维激光扫描技术和倾斜摄影可以实现对楼栋外立面、楼道和楼顶的部件材质、类别、类型等测量，进而实现对老旧小区现状图纸的测绘，进行规划分类设计，生成附属设施、材质列表，并统计汇总材料型号、规格、工程量以及价格等。辅助设计人员对模型、图纸做合理的调整与变更，进而快速准确地核算老旧小区改造预算。三维激光扫描和倾斜摄影技术极大的提高了数据采集的效率，降低了测绘工作者外业工作强度并确保了数据质量，但扫描仪器自身和精度的检校存在困难，检校方法单一，同时如何实现自动化成图是今后需要重点考虑的问题。参考文献：1 余志平,胡杨君.三维激光测量系统在地铁监测中的应用J.低碳世界，2020(05):121-122.2 基于三维激光技术的三维模型重建Z.3 童子良.空间散乱三维点云数据处理与规则曲面点云拟合D.安徽理工大学博士论文,2021.4 张小宏,赵生良,陈丰田.Agisoft photoscan在无人机航空摄影影像数据处理中的应用J.价值工程,2013(20):230-231.5 郑松赞.倾斜摄影技术在城市“三旧”改造中的应用J.测绘与空间地理信息，2023(02):166-168+172.6 scan无人机使用手册Z.7 蒋江生,杨元兴.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用J.地矿测绘，2014(03):38-40.作者简介：余其富，本科，广东南方数码科技股份有限公司长沙分公司，高级工程师，研究方向：测绘工程、不动产测绘、地理信息系统、城市更新、城市规划。尹华丽，本科，湖南航琳信息技术有限公司，工程师，研究方向：测绘工程、地理信息系统、土地整治、高标准农田建设。技术探讨