三维激光扫描技术在剧场建筑测绘中的应用_张萌.pdf

第 卷 第 期 年 月 北京测绘 引文格式：张萌，王轩三维激光扫描技术在剧场建筑测绘中的应用北京测绘，（）：，（）：收稿日期 基金项目 北京市科技计划（）作者简介 张萌（），男，河北邢台人，硕士，工程师，从事广电工程测量工作。：三维激光扫描技术在剧场建筑测绘中的应用张 萌 王 轩（中广电广播电影电视设计研究院有限公司，北京；中广电（北京）塔桅安全科技有限公司，北京）摘 要 鉴于传统建筑测绘采用全站仪、测距仪等单点测量方式，存在工作量大且效率低下等问题，将三维激光扫描技术应用到剧场建筑测绘工作中，以北京某剧场测绘项目为例，探讨三维激光扫描技术在数据采集、数据处理、建筑平立剖面图绘制和三维仿真建模等作业流程的实现过程。工程实例结果表明，利用三维激光扫描技术解决传统建筑测绘方法单点采集和效率低下的问题是行之有效的，可为剧场建筑测绘工作提供一种高效快速的解决方案。关键词 剧场建筑测绘；三维激光扫描技术；点云数据处理中图分类号 文献标识码 文章编号（）引言 世纪 年代和 世纪末，我国曾掀起过两次剧场建设高潮，国内各地兴建了大量的剧场。经历几十年的岁月变迁，早期的大多建设剧场建筑出现了机械和装修老旧以及建筑安全等问题，亟待提升改造。因年代久远，早期剧场建筑普遍存在原始设计图纸现势性差、丢失等问题，需对剧场建筑现状进行详细测绘。传统建筑测绘一般采用全站仪、测距仪等单点测量方式，工作量大且效率低下。近年来，随着三维激光扫描技术及相关硬件设备、承载平台的快速发展，该技术在新型基础测绘、地形测绘、电力巡检、历史文物保护等领域得到广泛应用。相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术实现了从点到面的技术突破，可快速复建建筑物 比例的三维模型，对建筑物细部特征反映得更加精细，能大大提高建筑测绘的效率。本文以北京某剧场测绘项目为例，探讨三维激光扫描技术在剧场建筑测绘中的应用，为提升剧场改造提供可靠翔实的基础数据。三维激光扫描技术三维激光扫描技术，又称为实景复制技术，利用激光测距的工作原理，能够记录被测目标表面大量点的三维坐标（Y）以及反射率、颜色（）和纹理等属性信息，复建被测目标的三维模型。该技术突破单点测量方式，具有高精度、高速度、高分辨率和非接触等特点。当前常见的三维激光扫描仪主要采用三种测距模式，分别为脉冲法、相位法和三角法测距。本次北京某剧场测绘项目采用了 三维激光扫描仪，该仪器为奥地利 公司生产的一款地面型扫描仪，采用脉冲式测距原理，点激光发射频率达 万点，测程为 ，具有 宽视野，测量精度为 。北京测绘第 卷 第 期 工程实例 项目简介北京某剧场于 年建成，历经六十多年的使用，舞台装修、机械等方面均已严重污染、破损和老化，因剧场历经四次改造，原始建筑图纸与现状已严重不符，需对剧场舞台进行重新测绘，为剧场提升改造提供基础数据。该剧场舞台共分为地上四层和地下一层，其中：地上一层为主舞台，净高 ，设有一个大跨度混凝土拱形梁；二、三层分布在舞台东、西两侧，为吊杆卷扬机的电机平台；四层为屋顶钢结构桁架层；地下一层为设备用房层。技术路线采用 三维激光扫描仪进行建筑测绘的技术路线主要包括现场踏勘、方案设计、三维激光扫描、点云数据处理（拼接、去噪、精简、质量检查）和平立剖面图制作等步骤，如图 所示。由于剧场舞台空间有限，空中吊杆、幕布等设施分布较多，并且四层桁架层未安装防坠网，三维激光扫描过程存在一定的危险因素，需重点对参与人员进行安全知识培训和教育，配备必要的安全措施，保证人员和仪器的安全。现场踏勘技术方案制定三维激光扫描点云数据处理平立剖面图与三维模型制作整理成果点云拼接点云去噪点云精简图 技术路线图 三维激光扫描根据剧场舞台各层分布情况，采用自由设站法，对舞台逐层进行扫描测量，扫描过程中将测站位置与编号标绘在草图上，便于后期点云拼接。由于舞台安装有吊杆、幕布及灯光等设备，相互遮挡较为严重，为保证拼接质量与数据完整性，设站时要保证两站之间有 以上的重叠区域，对于相对复杂的地方，要适当增加测站数量。结合剧场舞台现状，三维激光扫描时还需注意以下几点：（）因主舞台净高较高，为增加各层扫描测站之间的重叠区域，扫描时需配合使用可调倾斜角度的特制支架，尽可能多地获取主舞台上方数据。（）在主舞台中间区域架设一站作为扫描基准站，严格调平仪器，其余各站均向该基准站进行拼接，保证点云数据整体保持竖直状态。（）舞台地面大多为装饰面或钢桁架，地面不稳固，扫描时需采用手机 或电脑远程控制仪器，避免仪器出现晃动。（）现场需采用测距仪、盒尺等工具，量测一定数量的边长数据作为检核数据，用以检验扫描精度。点云数据处理 点云拼接三维激光扫描各站数据均采用站心坐标系，三维激光扫描结束后，需对各站数据进行拼接，转换到统一的项目坐标系。针对 扫描仪数据，采用配套软件 软件进行数据拼接，数据拼接分为手动粗拼接和自动精拼接两个步骤。手动粗拼接，需人工选取相邻两个测站 个公共点，将各测站站心坐标系进行粗略转换，拼接精度一般控制在 以内。自动精拼接，利用测站公共面数据，通过逐步减少搜索半径（）、最大倾斜角度（）和最小误差（）等参数，经多次重复操作以提高拼接精度，拼接精度用误差（）和残差直方图（）表示。本次北京某剧场测绘项目，剧场舞台共布设扫描测站 站，每站用时约，共获取扫描数据约 。采用 软件进行点云拼接后，整体拼接精度.，点云数据效果如图 所示。经检验点云数据和现场量测数据，较差主要集中在.之间，中误差.，如表 所示。图 点云数据成果第 卷 第 期张萌，王轩三维激光扫描技术在剧场建筑测绘中的应用表 点云与现场量测数据对比表单位：序号点云数据量测数据较差序号点云数据量测数据较差.点云去噪因扫描仪自身及现场环境（移动物遮挡、高反射物体等）等因素，扫描获取的点云数据不可避免包含一定数量的噪声点，比如物体外的飞点、物体边缘的拉丝状的噪点以及物体表面的粗糙毛刺点等。噪声点会影响被测物体的长、宽、高尺寸和几何特征，影响点云模型的精度，降低获取数据的质量。噪声点可以通过切换不同视角手动进行删除，也可以采用 软件，在自动选择功能中设置特定的点云偏差（）阈值，自动选择并删除超过某阈值的噪声数据，实现噪声点的自动删除，如图 所示。图 点云自动去噪前、后对比 点云精简经过点云拼接过程，相邻测站之间会差生大量重复点云数据，降低电脑运行效率。为简化各测站重复点云数据，可采用 软件的简化 数 据（）功 能，设 置 容 差 值（）参数，将容差范围内的重复点简化为单个独立点，实现重复数据的精简功能。平立剖面图绘制点云处理处理完毕后，先将点云数据整体进行坐标旋转，使点云数据的项目坐标系与剧场建筑轴线平行或垂直，便于平立剖面图绘制。下一步，将舞台各层平面与剖面位置的点云数据进行切片处理，制作点云正摄影像。切片时，需保证切片为水平或垂直方向，当一个切片不能反映复杂结构时，需制作多个切片。切片完成后，将制作的正射影像导入 软件进行绘图。绘制过程，应先定位绘制建筑主要的轴网，基于轴网数据，再绘制柱、梁、墙等主体结构，然后绘制门窗、楼梯、桁架等部件，最后标注尺寸、标高和注记文字等，整饬后完成平立剖面图绘制，如图 所示。图 点云剖面切片与剖面图示例 三维仿真建模结合三维点云数据和已绘制完成的平立剖面图数据，采用三维仿真建模软件对剧场舞台进行三维仿真建模，如图 所示，搭建几何模型数据，作为数字化档案进行留存，同时为结构仿真计算等改造设计工作提供翔实的基础资料。图 四层钢结构桁架模型北京测绘第 卷 第 期 结束语本文将三维激光扫描技术应用于剧场建筑测绘中，结合北京某剧场测绘项目，详细介绍了采用三维激光扫描技术进行剧场建筑测绘的全部工作流程和一些注意要点，对精度进行了检验验证。工程实例结果表明，三维激光扫描技术应用于剧场建筑测绘是行之有效的，解决了传统建筑测绘方法单点采集和效率低下的问题，可为剧场建筑测绘项目提供一种可操作的、高效快速的解决方案。参考文献 新建剧场的现状及对策研究课题组我国新建剧场的现状及对策研究演艺科技，（）：梁位鸿测绘新技术在建筑工程测量中的应用思路研究科学技术创新，（）：张小越，王羽基于三维激光扫描技术的建筑信息采集方法研究北京测绘，（）：于海洋，罗玲，杨强三维激光扫描技术在河道测量中的应用测绘学报，（）：王顺，赵志根基于三维激光扫描技术的历史建筑建档保护研究现代信息科技，（）：温玉维，邓长勇，曾德培，等三维激光扫描仪在电力工程实测实量中的应用测绘通报，（）：闵启忠，罗成鹏三维激光扫描技术在规划竣工测绘中的应用测绘通报，（）：龙润泽，鲁明军三维激光扫描技术用于老旧小区改造中二维信息提取与平面制图测绘通报，（）：贺晓东三维激光扫描技术在建筑立面数字化采集和立面绘制方向应用的可行性研究测绘通报，（）：，张立，宋莉三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用测绘通报，（）：贾玉明，范亮三维激光扫描在保俶塔数字化测绘中的应用测绘通报，（）：，索俊锋，刘勇，蒋志勇，等基于三维激光扫描点云数据的古建筑建模测绘科学，（）：周嘉俊，李勇，何明，等机载激光雷达点云多层次建筑物的三维重建遥感信息，（）：杨荣华，花向红，邱卫宁，等地面三维激光扫描点云角度分辨率研究武汉大学学报（信息科学版），（）：朱凌，石若明地面三维激光扫描点云分辨率研究遥感学报，（）：杨必胜，梁福逊，黄荣刚三维激光扫描点云数据处理研究进展、挑战与趋势测绘学报，（）：，（，；（），）：，（），：；（）；