【技术】三维激光扫描技术在老旧小区改造中的应用

摘要：［摘要］近年来随着测绘科学与技术水平的不断提高，三维激光扫描技术在老旧小区改造中得到广泛应用。由于目前传统测绘方法针对老旧小区室内外测绘不能同时满足测绘成图的效率和精度要求，本文提出一种利用三维激光扫描技术快速对老旧小区进行室内外测绘的方法，该方法数据采集和

［摘要］近年来随着测绘科学与技术水平的不断提高，三维激光扫描技术在老旧小区改造中得到广泛应用。由于目前传统测绘方法针对老旧小区室内外测绘不能同时满足测绘成图的效率和精度要求，本文提出一种利用三维激光扫描技术快速对老旧小区进行室内外测绘的方法，该方法数据采集和数据处理自动化程度高，提高了测绘的效率和精度，保证在老旧小区改造施工的安全和质量，为老旧小区改造提供了重要的参考数据。

［关键词］三维激光扫描；老旧小区改造；图纸绘制；三维建模

0 引言

近年来，中国的城市化不断加速，人口持续向城市集聚。这对于城市的住房供应和需求带来了巨大压力，同时也给老旧小区改造带来了新的挑战和机遇。目前老旧小区改造中传统的测绘方法依赖于全站仪［1-3］，使用全站仪对老旧小区进行室内外测绘成图效率较低，采集数据较为困难。近年来，也有相关学者［4-6］利用无人机倾斜摄影测量技术对老旧小区改造进行测绘，该技术室外测绘效率较高［7-9］，但是室内测绘受限，随着测绘科学与技术水平的不断提高，利用三维激光扫描技术的老旧小区改造测绘应用较为广泛［10-12］，其测绘精度和自动化程度较高，本文针对目前研究现状，提出一种基于三维激光扫描技术的老旧小区改造测绘方法，使用该方法进行测绘成图已被广泛应用于工程建设的各个领域。该方法测绘成图的效率和精度较高，室内外测绘不受限制，并且人工干预较少，自动化程度较高。

1 技术方法

三维激光扫描技术在老旧小区改造中的应用技术路线为：首先对试验区点云数据进行采集；然后对采集的点云数据进行处理，通过处理后的点云数据提取平立剖面图及三维建模；最后对试验成果进行分析。具体技术路线如图1所示。

图1 本文方法技术路线

1.1 数据处理

室内外扫描工作完成后，为了更好地区分室内外数据且方便后续工作，本文新建两个文件夹（室内文件夹和室外文件夹），然后依次把两个文件夹内的点云数据文件按照扫描顺序编号，接着将仪器扫描的文件的格式转换成可处理的文件格式。

1.1.1 点云拼接

1）粗拼。点云粗拼是将相邻两站的点云数据依次导入奥地利激光测量系统有限公司（Austria Laser Measurement Systems GmbH）瑞格（RIEGL）的点云后处理软件里斯坎（RISCAN）［13-15］。导入时需将每列坐标数据命名，坐标数据依次为

X坐标、Y坐标、Z坐标和反射率。另外，在导入时坐标系统选择工程坐标系。相邻两站的点云数据导入后，为了提高工作效率、节省时间，对点云数据先进行抽稀再进行粗拼，粗拼时选择相邻两站中的某一站为参考基站将其平移和旋转锁定，通过对另外一站的点云数据进行手动平移和旋转使两站数据较为粗略地拼接在一起，手动拼接效果将直接影响自动拼接的速度和精度。

2）精拼。在进行精拼前，需要将相邻两站点云数据构建三角面片。构建三角面片需确定最大三角边及三角形最大内角、最小内角和深度值。另外，拼接所采用的抽稀密度为0.3～0.5 m，抽稀密度过大会导致封装三角形过于密集，致使拼接过程耗时较长。若抽稀密度过小，虽拼接过程耗时较少，但会导致三角面片模型失真。三角面片构建完成后进行自动拼接，首先确定搜索半径（0.2 m）、旋转角度（2°），然后根据最小二乘拟合法计算精拼平均中误差。室内外40 站精拼的平均中误差为±0.010 3 m，精拼中误差柱状图如图2 所示。另外，通过改变搜索半径和旋转角度，可以计算得到不同的平均中误差，直到满足项目精度要求为止，最终完成点云数据拼接工作。

图2 精拼中误差柱状图

1.1.2 点云剔除

1）自动剔除。点云自动剔除主要是去除植被，图3（a）为原始点云数据，通过设置地形过滤器自动将植被等地物选中。图3（b）为选中的植被点云数据，此时植被被选中，显示为红色（含其他地物），然后创建对象把植被保存下来，接着选择删除把植被层删除，再创建一个对象就是没有植被的对象。图3（c）是植被点云数据图层。图3（d）是去除植被后的点云图层。此方法仅仅能够用于剔除明显植被（如树木），对于细小的草地之类去除效果相对较差。

图3 点云数据自动剔除前后对比

2）手动剔除。自动剔除点云数据后，再根据项目实际需求手动选择研究区域进行保留，其余区域剔除，使界面操作的数据量大幅减少，以保障在后续关键步骤操作中的流畅。

1.2 平立剖面图提取

室内外点云数据拼接完成后，首先通过RISCAN 专业软件将各视角立面、室内平面和室内剖面数据生成带有尺寸网格的正射影像［16-18］，然后将生成的室外正射影像图和室内各正射影像图依次导出保存。需要注意的是软件自动生成的正射影像背景默认是黑色的，黑色背景的正射影像图视觉效果较差，会影响图纸的绘制，而将正射影像背景设置成白色视觉效果较好且便于绘制操作。另外，在生成室内外各视角正射影像图的过程中要注意尽可能地将外立面周围和室内墙体周围的冗余噪点删除，避免影响图纸的绘制效果和绘制精度。再者，自动生成的正射影像图的角度若有偏差可手动调整后再次生成，否则会影响图纸的绘制的精度。

在南方测绘仪器公司的计算机辅助地形测图系统（computer aided surveying system，CASS）即开思（CASS）软件中导入带有尺寸网格的正射影像，然后将正射影像依据网格尺寸按比例缩放，使其与实际尺寸一致。接着依次绘制平面图、立面图和剖面图。平立剖面图提取效果如图4所示。

图4 平立剖面图提取效果

1.3 三维建模

三维建模方法是在平立剖面图的基础上，利用三维马克斯（3d Max）专业建模软件，依据提取的平立剖面图尺寸数据对三维模型进行构建［19-20］，并对三维模型外观依据美观实用的改造设计要求进行纹理映射。三维建模及纹理效果如图5所示。

图5 三维模型效果图

2 实例验证 2.1 试验区概况

试验区为烟台市牟平区某老旧小区，该小区于2000 年建造完成并投入使用。房屋结构类型为砖混结构，小区共21 栋建筑，总建筑面积为0.043 6 km2。以18#单栋楼为研究对象，该楼总高度为22.5 m，共7 层，其中地下1 层，地上6 层。现场影像如图6所示。

图6 研究对象现场影像

2.2 数据源

点云采集设备使用的是德国佐勒和弗罗利希有限公司（Zoller & Fröhlich GmbH）生产Z+F IMAGER 5006H 脉冲式三维激光扫描仪，红色激光束。该扫描仪具有79 m 的测程，最小测程是0.4 m，分辨率是0.1 mm，水平视野为360°，垂直视野为310°。数据获取速率是1 016 727 点/s，线性误差（50 m 处）是1 mm。室外站点共布设8站，其中布设在建筑物的4 个楼角4 站，建筑物长度和宽度方向的中间位置6 站，屋顶制高点2 站。室外站点布设示意如图7（a）所示。室内站点共布设32 站，其中布设在一单元和二单元各16 站，包括楼梯及公共区域。室内站点布设示意图如图7（b）所示。本文室外扫描时为避免冗余工作，选择半圆视角进行扫描，而室内扫描时为方便拼接选择全视角进行扫描。

图7 室内外站点布设示意图

2.3 结果与分析

本文试验结束后分别对平面图、立面图和剖面图选取了10 个尺寸与现场实测的尺寸进行比对，分析每个尺寸的偏差。

首先通过对提取的平面图尺寸与现场实际尺寸比对发现，提取的平面图尺寸相比实测尺寸整体偏小（考虑提取的平面图控制线是室内墙体以及前期室内三维激光点云数据累计拼接误差，导致图纸绘制过程中尺寸整体偏小），最大值为0.004 m，最小值为0.002 m，如表1所示。通过对提取的立面图尺寸与现场实际尺寸比对发现，提取的立面图尺寸相比实测尺寸整体偏大（考虑提取的立面图控制线是室外墙体，导致图纸绘制过程中尺寸整体偏大），最大值为0.004 m，最小值为0.002 m，如表2所示。通过对提取的剖面图尺寸与现场实测尺寸比对发现，提取的剖面图尺寸相比实测尺寸整体偏差不一，没有规则可循（考虑由实际现场楼板及内外墙绘制误差和前期三维激光点云数据的累计拼接误差导致），最大值为0.005 m，最小值为0.003 m，如表3所示。

表1 提取的平面图尺寸与现场实测线偏差比对