三维激光扫描在建筑立面照明设计中的应用

        建筑是城市的重要组成部分，建筑的夜晚视觉效果深深影响着城市的夜间景观，夜间照明亮化在提升建筑品质的同时提高城市的整体形象。立面照明设计根据建筑的功能、形态、装饰、文化内涵等因素，采用点、线、面式光源确定灯光方案。照明设计和施工使用的立面图纸要尽可能完整的表现出建筑立面内容，无法取得图纸的建筑需要采用测绘手段逆向获取立面图。

       建筑立面测量常用方法有测距仪法、普通全站仪辅成图软件法、近景摄影测量法和三维激光扫描法。其中三维激光扫描是一种全自动高精度立体采集技术，对建筑物进行无接触、快速、高精度扫描，获取物体表面三维空间坐标。海量点云数据逼真复制和重构了建筑实景，解决了人工采集数据时所带来的效率低下、精度损失等问题，尤其是解决了异形立面元素无法量测的问题，为建筑立面图测绘提供了一种更新、更全面、更便捷的工作模式。

基于三维激光扫描技术的测量方案

技术特征和技术路线

       照明设计立面图要求具有较高的测量精度，同时需要详细的建筑特征数据展现建筑物外貌、高度、装饰和造型。针对点光源设计，幕墙类玻璃框架要完整测量。本项目共有17座公共建筑进行照明设计，离散分布在主干道两侧。建筑结构复杂、景观树木遮挡，以及商业街区人车流量大、地铁施工等，造成通视条件差，扫描站点布设受限，需要通过一定的测量策略保证数据采集完整。三维激光扫描仪进行外立面测量的技术流程主要包括外业扫描、点云处理和图形绘制三部分，具体技术路线如下图。

软硬件设备

根据测绘任务需求，采用 Trimble SX10 影像三维激光扫描仪对目标建筑进行全要素空间数据采集。Trimble SX10 扫描仪具有超远程高精度测量扫描功能，免棱镜测量模式测距800米，精度2mm+1.5ppm；带状扫描范围600米，噪声1.5mm@120m。将测量、影像和高速扫描集成为一体，为工程、测绘等专业技术人员提供了创新的解决方案。

采用 Trimble Business Center (简称:TBC）软件进行点云处理 ，TBC 软件搭载测量、GIS、CAD、摄影测量、点云等多个模块，可以处理多种类型数据。点云模块提供了自动拼接、赋色、分类等多种处理功能。

数据获取测量技术

 导线式三维激光扫描

Trimble SX10 是自带测量流程的三维扫描仪，基于导线式三维扫描外业采用免标靶方式，扫描测站之间采用棱镜传导。在提高数据精度的同时，解决了相邻测站扫描重叠度的问题。

使用钢钉布设一对假定基准点，现场检测无误作为起算数据。将 SX10 架设完毕后通过多边形取景框选目标建筑，精细密度开始扫描作业。扫描完成后利用全站仪功能进行特征点测量，获取单点的坐标属性，通过对目标建筑的主要特征点、散水高程、楼高等进行实地测量，可用于检校内业成果。测区共架设23个测站，获取一个体量为1.13亿三维坐标点的点云。

点云数据处理

外业扫描完成后进行点云数据处理，将外业扫描数据传输到 TBC 软件中即可自动进行配准拼接和点云赋色，无需人工干预。个别测站有异常情况无法自动配准时，通过人工选择同名点进行配准。

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获取。大量的无效点云严重影响了对地物特征判别，需要进行去噪处理。TBC 软件提供了自动分类的功能，可将点云分为建筑、地面、电力线、高植被等类型。对分类后的点云按类别进行隐藏或删除操作，能够快速有效排除噪点，大大减少了完全依靠人工判别删除点云的工作量。通过点云自动 分类结合少量手工去噪，最终获得建筑的有效点云模型，选取单栋建筑点云逐个导出.las格式数据以备下一步绘图操作，部分最终点云成果。

建筑平面和立面图绘制

基于点云切片的平面图绘制

TBC 软件点云模块提供的切面图工具可以对点云模型进行面对像切片，单独切割获取参考平面的点云。在平面定义管理器里将切割参考平面设定为“垂直于高程轴”，设置好偏移高度和切面厚度，即可在切面图视图中显示切割出来的建筑外轮廓点云。

利用 CAD 模块里的创建多义线功能，根据建筑外轮廓点云绘制建筑平面图。将绘制好的平面图导出并在 AutoCAD 软件中进行修饰标注完成最终平面图。

基于正射影像的立面图绘制

建筑立面测量工作中最重要的步骤是立面图的绘制，立面图是将建筑物每个立面投影到与其平行的铅垂投影面上而得到的正投影图，保证建筑模型立面进行正射投影、消除投影畸变是绘图关键[11]。

利用点云数据绘制立面图可采用两种方法，一是在三维环境下对点云进行立体特征点提取，直接绘制建筑三维立面图；二是将点云进行平面投影，在二维环境下对平面点云描绘立面图[8,12]。本次项目采用基于正射影像的立面图绘制，TBC软件点云模块提供的正射影像功能可以通过定义投影面对点云进行平面投影，扫描生成正射影像图。由于点云之间有空隙，在不同视图中前后点云重叠，造成视觉混乱[13]。为了消除前后点云对视觉的影响，在投影操作前将对立面的点云进行消隐再创建正射影像。

将创建的正射影像导入 CAD 工程中，通过对真彩色影像的判读进行描绘立面图，绘制建筑物的外貌形状，建筑物的屋面、阳台、门窗、雨篷、腰线等部位的位置和形式也有准确的体现。

图  主视图点云创建正射影像和成果图

结语

 本项目以立面照明设计需求为基础，通过三维激光扫描高精度、高速度、全天候的技术优势对目标建筑进行逆向立面测量。天宝SX10扫描仪进行全要素空间三维数据采集，解决了传统单点测量数据采集不完整、工作效率低等问题，基于导线式三维扫描提高了常规扫描的效率和精度。TBC 软件对点云自动处理减少了人工操作量，点云切片和正射影像功能使平面图和立面图绘制更加高效便捷。SX10 与 TBC 软硬件相结合，做到一体化工作流式解决方案，更快更好的服务于立面照明设计工作，并取得了较好的成效。