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一、概述
在城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)中，為了使臨街建筑與街道的景觀協(xié)調(diào)起來，往往需要對舊有建筑的立面進(jìn)行整治。因此2020年國務(wù)院辦公廳發(fā)布了關(guān)于全面推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導(dǎo)意見，包含老舊小區(qū)改造范圍、改造內(nèi)容等多項改造指導(dǎo)。
改造或者擴(kuò)建要求作業(yè)人員測繪出建筑物的立面圖紙，目前常見的測繪設(shè)備及軟件都是基于平面圖測繪而開發(fā)出來的，無法直接用于立面圖測繪。
當(dāng)下，激光技術(shù)，以其單一性和高聚積度成為繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項新的測繪技術(shù)，它推動了三維空間數(shù)據(jù)獲取向著集成化、實時化、動態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。通過高速激光掃描測量的方法，可以快速、大量的采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了全新的技術(shù)手段。近些年文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域已引入了三維激光掃描技術(shù)，這對文化遺產(chǎn)的保護(hù)與展示產(chǎn)生了重要的社會文化意義。
將激光技術(shù)運用到老舊小區(qū)改造前測繪建筑物立面圖紙的工作中，能無接觸掃描、快速獲取老舊小區(qū)外立面的密集點云和影像，為建筑物立面測量提供了一種更新、更快、更便捷的測量作業(yè)模式，能夠更高效、更安全、更經(jīng)濟(jì)完成測繪掃描工作，同時積極響應(yīng)國家老舊小區(qū)改造政策。
全面推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導(dǎo)意見
三維激光掃描儀掃描建筑物
二、SLAM三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)三維激光掃描儀的區(qū)別
當(dāng)下，現(xiàn)有的地面移動測量系統(tǒng)通常是基于車載的移動測量系統(tǒng)的，但目前地面移動測量系統(tǒng)均需要依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，只能用于室外環(huán)境。然而，室內(nèi)和地下空間等環(huán)境中沒有GNSS信號，所以傳統(tǒng)的移動測量系統(tǒng)無法正常工作。固定式激光掃描可以用于室內(nèi)室外的環(huán)境，但是復(fù)雜場景需要大量換站，并進(jìn)行點云拼接，數(shù)據(jù)獲取的效率十分低下。然而，即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)在移動測繪方面具有較好的應(yīng)用，不依托GNSS信號，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和環(huán)境建模。因此，SLAM技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了測量復(fù)雜性，不需要大量標(biāo)記地物點，不需要GPS信號，適用于在室內(nèi)室外場景，對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。
傳統(tǒng)測量方法：
通過皮尺、測距儀及全站儀等工具對具有施測條件的建筑物外立面的長、寬、高等尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但老舊小區(qū)門窗、陽臺、雨篷等附屬設(shè)施多而密集，利用傳統(tǒng)的測量方式需要投入大量人員進(jìn)行外業(yè)測量，且無法保證細(xì)部的完整性和精度，工作量大、局限性大、作業(yè)效率低，內(nèi)業(yè)成圖工作較為繁重且易出錯，特別是對于樓層較高的建筑物，采用傳統(tǒng)方式采集立面數(shù)據(jù)比較困難。
三維激光掃描儀：
通過三維激光掃描技術(shù)對建筑物進(jìn)行無接觸掃描，能快速獲取建筑物外立面的密集點云和影像，具有采集時間短、精度高（掃描精度達(dá)到毫米級）、自主性強、智能化等特點，為建筑物立面測量提供了一種更新、更快、更便捷的測量作業(yè)模式。而三維激光掃描儀的種類繁多，面對不同的環(huán)境狀況，不同的測繪需求及規(guī)范，合理的選擇三維激光掃描儀才能更加高效，便捷的應(yīng)用于項目生產(chǎn)。
由于SLAM技術(shù)無需GNSS信號，對工作環(huán)境又有極強的適應(yīng)性，基于SLAM技術(shù)的移動測量系統(tǒng)在多個測繪領(lǐng)域發(fā)揮作用，具體表現(xiàn)為：
◆外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高。
◆內(nèi)業(yè)點云預(yù)處理時間短，自動化程度高，無需人工干預(yù)，短時間內(nèi)獲得點云數(shù)據(jù)。
◆操作簡單易學(xué)，無需換站，連續(xù)采集，具有連貫性，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)。
◆SLAM技術(shù)的測繪移動測量掃描儀在任意環(huán)境中長時間工作故障率低，對于精度要求較高的重點區(qū)域，可與固定測站式三維激光系統(tǒng)配合使用，既能保證精度，又能保證效率。
三、基于GeoSLAM ZEB HORIZON移動三維激光掃描儀立面測量的技術(shù)路線
GeoSLAM ZEB HORIZON三維激光掃描數(shù)據(jù)采集
GeoSLAM ZEB HORIZON三維激光掃描儀操作簡便，掃描速度快，精度可達(dá)到厘米級。根據(jù)建筑分布及地形走勢規(guī)劃掃描線路,主要滿足外墻、窗戶、細(xì)部掃描的精度和完整度要求。此外，針對帶狀較長街道書記采集，我們將嚴(yán)格按照分段測量，每200米-300米分段掃描，有助于控制整體掃描精度，防止帶狀掃描距離過長累計誤差較大。
同步影像采集
為更好輔助內(nèi)業(yè)立面制圖的需要，GeoSLAM ZEB HORIZON三維激光掃描儀還標(biāo)配有ZEB CAM動態(tài)相機(jī)，可在移動掃描的過程中對建筑各立面以及室內(nèi)外進(jìn)行了影像采集。
現(xiàn)場掃描
構(gòu)建建筑點云模型
建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間層次多，在使用GeoSLAM ZEB HORIZON三維激光掃描儀時，需分區(qū)域（如：分室內(nèi)室外掃描；分樓層掃描；分區(qū)塊掃描等）。最終將不同分區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成完整的三維點云模型。
在進(jìn)行配準(zhǔn)之前，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，因為在掃描物體時，由于遮擋等原因的影響，采集的數(shù)據(jù)不止是我們需要的數(shù)據(jù)，其中還包括很多我們不感興趣的數(shù)據(jù)，例如：物體周圍的花草樹木、車流、人群等，這樣就必須在配準(zhǔn)之前要利用數(shù)據(jù)的預(yù)處理把我們感興趣的數(shù)據(jù)提取出來，預(yù)處理的方法很多：可以利用激光強度把同一類物體同時選中后刪除、人工選取等方法。
建筑點云與建筑立面成果套合圖
基于點云的平立剖面圖制作
由于點云數(shù)據(jù)是最真實和完整的數(shù)據(jù)信息，所以直接從點云數(shù)據(jù)上采集信息是最準(zhǔn)確的，通過軟件把點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的建筑坐標(biāo)系，通過軟件在每個層次進(jìn)行點云剖切，就可以制作出點云平立剖面圖。
基于點云的立面圖繪制
將基于點云生成的平立剖面圖導(dǎo)入CAD/Microstation等軟件平臺，可快速進(jìn)行矢量圖繪制；也可將拼接完整的三維點云模型導(dǎo)入CAD/Microstation/EPS等軟件平臺，通過點云切割，截面等方式進(jìn)行立面矢量圖繪制。
成果提交
四、基于GeoSLAM ZEB HORIZON移動三維激光掃描儀立面測量的項目實施
廣東省汕頭市老城區(qū)改造風(fēng)貌提升項目中我司為該項目提供三維掃描服務(wù)，2名外業(yè)數(shù)據(jù)掃描人員，共掃描用時6天，共采集有效立面面積約110萬㎡。經(jīng)過全站儀與皮尺測量精度均在精度要求范圍內(nèi)。
建筑原始點云效果圖（彩色反射強度）
采集過程可以使用掃描儀內(nèi)置相機(jī)獲取色彩，由于工期太緊我們使用了反射強度畫圖。
建筑立面成果效果圖
建筑點云與建筑立面成果套合圖
曲面類型立面圖展開:
在一些特定建筑物表現(xiàn)為弧形或者圓弧形，這種建筑在平面表示上非常困難，傳統(tǒng)立面圖繪制中點云正攝畫圖無法滿足要求，只有把圖展開才能正確表現(xiàn)尺寸長度與統(tǒng)計面積。
現(xiàn)場圖片
原始有弧度的點云
展開后的圖像，更便于繪圖
展開后繪制的立面圖
片區(qū)立面圖繪制
最終成果提交
最終成果提交
五、總結(jié)
GeoSLAM ZEB HORIZON移動式三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度的立體掃描技術(shù)。突破了傳統(tǒng)的架站式三維激光掃描技術(shù)及全站儀的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實體真實、完整和精確的三維復(fù)制，為快速獲取建筑物平面圖、立面圖和剖面圖數(shù)據(jù)提供了一種全新的技術(shù)手段。應(yīng)用于舊建筑物改造過程中；三位激光掃描技術(shù)能夠快速、高效、高精度的獲取測量目標(biāo)的表面三維數(shù)據(jù)，進(jìn)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(shè)計、工程量計算、造價等提供基礎(chǔ)。
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