1.2 点云数据处理方法

完成现场数据采集后，需要经过点云数据预处理，才能进行古建筑的精细建模。

点云数据预处理一般包括点云数据配准及坐标系转换、去噪、滤波及点云分割4个过程；精细建模一般经历点阶段、多边形阶段及曲面阶段的过程。

2.1 项目概况

本文研究对象均位于浙江省宁波市，为浙江省宁波市“历史建筑测绘建档是为历史建筑维护修缮、保护利用、迁移保护和重建等提供准确全面的数字信息”的实施项目。其中，一个为塔形建筑，另一个为两层立式的西洋建筑，其周边均为繁华街区，车辆行人络绎不绝，若实施传统单点测绘或无人机测绘均存在效率低下、精度不佳的情况。

2.2 外业数据采集

三维激光扫描的外业数据采集工作主要包括：扫描测站的设置、点云数据的获取及点云数据的后处理。扫描工作进行前需要对被测物体及其周边环境进行调查，在利用一个测站无法获取完整物体信息的情况下，可以架设多个站点对被测物体进行扫描。单个站点与相邻站点扫描区域有部分重合要求，以便于后期点云数据的测站配准［６］。架设相邻测站通常需要保留30%以上的区域重合，区域重合越大，配准精准度越高，因此在实际的项目中，需要根据现场场景的需求设置合适数量的扫描站点。可根据建筑物的实际情况，如塔形建筑物可在其四周设置多个测站，对建筑物的各个立面进行全方位扫描和数据采集。

Trimble TX8的操作面板具备现场浏览数据与质量检查操作的功能，如图1所示。可实时缩放、检查数据质量情况，保障三维数据的质量与完整性。

图1 三维激光扫描仪现场数据实时预览

2.3 内业点云数据的配置

点云配准分为两种方法：基于测站的拼接和基于目标或点云的拼接［７］。第一种方法要建立测站点，进行控制测量，相当于传统测绘的碎部测量，而点云的数据质量与该测站的站点位置和扫描质量有关，但需要三维激光扫描仪具有整平、定向和对中的功能。第二种方法至少需要3个同名特征点，将相邻测站的点云进 行配准，同名特征点可以是标靶或典型角点。特征点的提取方法：

①可以通过选取规则的几何模型求交点自动提取特征点 ［８］ ；

②如果选取的特征点所在位置比较明显，也可采用鼠标 直接点击的方式选取。

第一种方法获得特征点的精度较高。采用同名特征点配准，可通过六参数转 换模型将各个测站的点云坐标转换至统一坐标系，公式为：

式中，（x0，y0，z0）ｉ 为统一坐标系中的点云坐标；（x0，y0，z0）为仪器中相对坐标系的点云坐标为两坐标系之间的旋转矩阵，主要由3个旋转角度（φ，ω，κ）确定；（x，y，z）ｉ为仪器相对坐标系的原点在统一坐标系中的坐标。转换所需6个参数x0、y0、z0、φ、ω、κ的确定至少需要两个同名 特征点，采用最小二乘平差的方法进行解算［９］ 。

2.4 内业点云数据的坐标转换

仪器统一坐标系属于右手直角坐标系，设坐标为（x c， y c ，z c ）；局部坐标系属于左手直角坐标系，设 坐标为（x′，y′，h） ｉ ，则可通过四参数进行坐标转换，公式为：

式中，θ为绕z轴旋转的旋转角参数［１０］。

由此可知，只要已知2个控制点坐标即能计算 出转换参数，实现坐标转换。当公共点的个数ｎ ≥ 2，采用最小二乘法计算转换参数，同时也可以检核 坐标转换精度，公式为：

式中，；ｎ为 控制点的个数。σｍ 的值越大，转换坐标精度越差；反之，σｍ越小，转换坐标精度越高［１１］ 。

2.5 内业点云数据预处理

在外业数据采集的基础上，获得完整的古建筑 三维点云数据，以及内业数据处理是古建筑测绘工作中的重要环节，从而为实现实体建筑的第一手原始数据存档奠定基础，然后进行数据的二次分析与处理，主要包括坐标转换、数据配准、去噪平滑、精简压缩、点云切割及CAD成图等，最终实现实景复制版立面图的绘制。

完成外业的数据采集，在通过点云配准和坐标系转换后，才能实现后期详细的数据处理，输出完整的三维点云数据［１２］，如图2所示。

图2 完整的古建筑三维点云数据

图3为古建筑屋顶细部原始点云处理与精细化切割后的样式，可见精细化后纹理自然，形式逼真。图4为对古建筑进行模型平滑与填充处理后的效果，其特征明显，立体化效果显著［１３］ 。图5为对古建筑在某一断面进行剖切后的纵横断面效果，其尺寸可量测，细部处理效果显著。图6为点云处理后 边界修复与绘制的效果，原始建筑的损坏之处得到修复，非常逼真完美，可以作为修缮的依据。

图3 原始点云处理与精细化切割

图4 处理后三角网模型平滑与填充

图5 原始点云纵横断面分割与处理

图6 点云边界修复处理与绘制后效果

2.6 立面点云数据的快速成图

将Trimble RealWorks软件输出的RCP格式的 点云数据导入AutoCAD软件中，首先调整坐标系，自动显示当前绘制的立面数据；然后通过软件自带的点云多RGB显示信息功能，对图形进行调整，即可实现实景现场复制式点云描图。图7为导入AutoCAD软件的立面显示效果。

图7 原始三维点云导入AutoCAD立面显示

再对所有直线线条、两边拾取端点进行画线，曲线线条通过选择拟合的形式进行连线绘图，将外形描绘成立面图并辅以颜色、纹理和材质，形成与实地相似的立面图，即仿真立面效果图，如图8所示。

图8 立面图绘制

根据细节上的差异，如图形不够完美，则可再对图幅、图面进行局部尺寸的调整，如图9所示。

图9 图幅整理与图面调整

2.7 误差统计与分析

对两个案例的点云数据和模型数据分别选取若干条边进行对比分析［５］ ，见表1。由表1可知，测得数据精度均符合《地面三维激光扫描作业技术规程》（CH/Z 3017——7015）中限差的要求［１４］ 。

表1 量测数据精度与限差对比

传统的立面测量方式通常采用手工皮尺测量、 手持测距仪测量、全站仪单点定位测量3种方式，实际应用中效率低、成本高。采用激光扫描仪进行外业扫描数据的采集，内业点云数据采用软件自动处 理进行预处理，体现了高效率和精准化，大大节约 了时间，但在由点云到线划的阶段，仍然需要连点绘线的绘图操作，没有实现全过程的现代化，这是未来提高效率的关键因素。

通过三维扫描获取的原始资料，与传统停留在二维信息、单点采集相比，三维激光扫描技术不仅提高了立面测量的工作效率和数据精度，还带动了历史建筑存档与原始数据留存的革命更新，真正意义上实现了由二维到三维空间信息的升级与突破。

参考文献：

［１］ 徐源强，高井祥，王坚．三维激光扫描技术［Ｊ］．测绘信息与工程，２０１０，３５（４）：５-６．

［２］ 刘胜男，陶钧．地面三维激光扫描仪测量精度的评价分析［Ｊ］．测绘通报，２０２０（１０）：１６４-１６６．

［３］ 公羽，陈义．不同扫描方式对平面标靶拟合精度的影响［Ｊ］．测绘与空间地理信息，２０１４，３７（２）：７７-７９．

［４］ 唐汝煊．关于三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用［Ｊ］． 信息系统工程，２０２０ （７）：６７-６８．

［５］ 邓丽．三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用探讨［Ｊ］． 世界有色金属，２０２１ （８）：１５９-１６０．

［６］ 张涵．工程测量中地面三维激光扫描技术的应用分析［Ｊ］．技术与市场，２０２１，２８（４）：１０３-１０４．

［７］ 杨凯，罗意，吴坤泽．基于地面三维激光扫描数据配准方法研究［Ｊ］．经纬天地，２０１６（１）：４０-４３．

［８］ 袁丰波，孙攀，张少伟．地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用［Ｊ］．住宅与房地产，２０２０（２４）：２１５．

［９］ 朱曙光，何宽．徕卡三维激光扫描仪拼接方法研究 ［Ｃ］／ ／ ２００９年先进光学技术及其应用研讨会论文集 （上册）．杭州：［ｓ．ｎ．］，２００９．

［１０］ 李旭，孙永康．地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用［Ｊ］．城市地理，２０１８（２Ｘ）：７９-８０．

［１１］ 马立广．地面三维激光扫描测量技术研究［Ｄ］．武汉：武汉大学，２００５．

［１２］ 张启福． 地面三维激光扫描仪性能测试方法研究 ［Ｄ］．郑州：信息工程大学，２０１２．

［１３］ 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［Ｊ］．北京测绘，２０１７（Ｓ１）：１３０-１３３．

［１４］ 周超，李慧．三维激光扫描技术在工程测量中的应用 ［Ｊ］．工程技术研究，２０２０，５（１８）：１２３-１２４．

（责任编辑：胡淼）返回搜狐，查看更多