基于地面LiDAR技術(shù)的異形建筑竣工測量方法研究

呂 磊，邢漢發(fā)，王敘泉

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

基于地面LiDAR技術(shù)的異形建筑竣工測量方法研究

呂 磊，邢漢發(fā)，王敘泉

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

在分析地面LiDAR技術(shù)特點基礎(chǔ)上，以廣州市會展中心某異形建筑為工程實例，提出一種基于地面LiDAR技術(shù)的城市異形建筑竣工測量方法。首先對工程概況及其作業(yè)流程進行闡述，繼而分別對地面三維竣工測量數(shù)據(jù)采集和處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細介紹，最后對工程結(jié)果進行分析。研究和分析結(jié)果表明，地面LiDAR技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形建筑物測量中具有較好的應(yīng)用前景。

異形建筑；竣工測量；地面LiDAR技術(shù)；三維點云；立面圖繪制

隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速增長，我國建筑業(yè)也呈現(xiàn)出日新月異、飛速發(fā)展的態(tài)勢。異型建筑因其外觀獨特、跨度寬、空間大等特點而越來越多地在城市中涌現(xiàn)，特別是音樂廳、博物館、展覽館等公共建筑大都采用了異型建筑的構(gòu)造形式[1-3]。

地面LiDAR技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”，是一種新型全自動高精度立體掃描技術(shù)，可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中進行掃描操作，可大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[4-5]。與傳統(tǒng)測量方法相比，地面LiDAR技術(shù)采集數(shù)據(jù)不需要接觸目標(biāo)，能快速、準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)體數(shù)據(jù)，具有密度高、精度高等特點，適合大面積或者表面復(fù)雜的物體測量及其物體局部細節(jié)測量，計算目標(biāo)表面、體積、斷面、截面、等值線等，為測繪人員突破傳統(tǒng)測量技術(shù)提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取手段[6]。

目前，異形建筑在美化城市景觀、彰顯城市個性化的同時，也給測繪工作者提出了巨大挑戰(zhàn)，如何對各式各樣異形建筑物進行快速竣工驗收是一個急需解決的問題[7-8]。隨著地面LiDAR技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將其引入到異形建筑竣工測量中是一條可行途徑[9-11]。目前，地面激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測量中的應(yīng)用實例較少，本文設(shè)計了三維竣工測量技術(shù)方案，探索地面激光掃描儀測量技術(shù)在竣工測量領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

1 工程概況與作業(yè)流程

1.1 工程概況

廣州市南豐國際會展中心(見圖1)坐落于廣州市海珠區(qū)琶洲島，包括南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心和南豐國際會展中心共兩幢大樓，集商業(yè)寫字樓、五星級酒店等于一體的現(xiàn)代商務(wù)貿(mào)易中心，驗收總建筑面積為28.3萬m2。

會展中心外型獨特時尚，層層交錯橫縱；塔樓設(shè)計又宛如隨意凌亂疊放在一起的方塊，每個方塊即每一層都是錯亂而有序的疊搭；裙樓設(shè)計很具有傾斜線條美，或是向外傾斜，或是向內(nèi)傾斜。由于其幾何式立面結(jié)構(gòu)，采用全站儀設(shè)站方式難以準(zhǔn)確測量出裙樓傾斜面各樓層的平面位置與交錯重疊的塔樓各樓層平面位置，以及在裙樓不同傾斜角之間和塔樓各“方塊”之間進深不一的眾多凹角，這給傳統(tǒng)規(guī)劃驗收測量帶來了挑戰(zhàn)。

圖1 南豐國際會展中心建筑圖

1.2 作業(yè)流程

鑒于項目中異形建筑物的外形特點，項目組應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對其進行竣工驗收測量，其作業(yè)流程如圖2所示，主要內(nèi)容包括：控制測量、外業(yè)掃描測量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、竣工圖核對、三維建模、建筑面積計算、平立面圖繪制、竣工地形圖繪制等。

圖2 基于三維激光掃描技術(shù)的竣工測量流程

2 地面三維竣工測量數(shù)據(jù)采集

2.1 控制測量

為滿足建筑工程規(guī)劃驗收測量精度的要求，本工程以《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，布設(shè)一級靜態(tài)GPS控制網(wǎng)，共測設(shè)靜態(tài)控制點4個，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯(lián)測四等水準(zhǔn)8 km(見圖3)。一級控制網(wǎng)起算點選用工程附近廣州市三等以上平面控制點，為提升整網(wǎng)精度，起算點范圍涵蓋4個一級控制點，高程控制以附近二等基巖水準(zhǔn)控制點作為起算點。采用一級GPS控制網(wǎng)和四等水準(zhǔn)不僅可以保證規(guī)劃驗收控制測量的精度，還能將驗收測量成果接入廣州市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。

圖3 一級GPS控制網(wǎng)

2.2 激光掃描測量數(shù)據(jù)采集

本工程采用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，其反射距離為500 m。依據(jù)會展中心建筑物異形的特點，本次三維激光掃描主要采用以下兩種方式：①單站絕對定向模式：三維激光掃描測站與靶標(biāo)(類似全站儀的棱鏡)布設(shè)在圖根點上，并設(shè)置掃描相應(yīng)參數(shù)，執(zhí)行掃描。②無靶標(biāo)相對定向：采用無靶標(biāo)方式，直接對目標(biāo)建筑物進行掃描。

掃描站點的坐標(biāo)量測利用“廣州市連續(xù)運行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)”和廣州市似大地水準(zhǔn)面，對三維激光掃描儀中內(nèi)置的GPS定位功能進行開發(fā)，使得三維激光掃描儀在掃描測量建筑物的同時測量掃描站的RTK坐標(biāo)，從而提高外業(yè)作業(yè)速度和內(nèi)業(yè)配準(zhǔn)效率。

工程實施過程中，對兩幢樓的掃描采用精掃模式。南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心共掃描27站，其中10站為在裙樓上進行掃描，共采用標(biāo)靶9個，貼于建筑物幕墻或者特征比較明顯的電線桿等物體上。南豐國際會展中心共掃描30站，其中9站為在裙樓上進行掃描，共采用標(biāo)靶10個，同時用全站儀對標(biāo)靶和測站點坐標(biāo)進行測定。

3 地面三維竣工測量數(shù)據(jù)處理

3.1 掃描測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

對建筑物掃描后，需要進行點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括點云去噪與修補和點云配準(zhǔn)等工作。

3.1.1 點云去噪與修補

獲取的原始點云數(shù)據(jù)，會由于灌木叢遮擋、自身遮擋、玻璃透射等原因造成大量空洞和噪音，致使原始點云質(zhì)量較差，需要進行去噪、補洞等處理。

首先在地面三維激光掃描儀的配套軟件Riscan Pro中去除偏差較大的噪音后，然后在Geomagic Studio中進一步去噪與交互式操作補洞。

3.1.2 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的兩種方式，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作同樣采用與之相對應(yīng)的兩種模式。

1)后視定向配準(zhǔn)。對于起始測站采用靶標(biāo)進行配準(zhǔn)，輸入測站坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)，采用RieGL Riscan 中后視定向配準(zhǔn)模塊進行配準(zhǔn)，從而確定整個點云數(shù)據(jù)的全局坐標(biāo)。

2)站站間配準(zhǔn)。首先要進行粗配，可以采用兩種方法：①選擇同名特征點的方法進行配準(zhǔn)，該方法適用于同名點特征明顯的，至少要選擇4 個同名點，同名點應(yīng)盡量選擇房屋角、線桿頂?shù)燃怃J地物點；②根據(jù)人工交互式移動測站，使未配準(zhǔn)站移動到已配準(zhǔn)站的對應(yīng)位置，匹配精度以能夠執(zhí)行自動精確匹配為準(zhǔn)。

粗配結(jié)束，采用軟件自動精確精配，提高配準(zhǔn)精度，配準(zhǔn)誤差在0.01 m 以內(nèi)，方可進行下一站配準(zhǔn)。圖4為南豐國際會展中心各測站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點云數(shù)據(jù)圖。

圖4 南豐國際會展中心各站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點云數(shù)據(jù)圖

3.2 建筑物面積測算

1)采用切片法提取特征線。設(shè)計合適的切片厚度對配準(zhǔn)之后的三維點云數(shù)據(jù)的每一層進行X-Y水平面切面處理，通過提取特征點得到建筑物每一樓層特征線，從而計算該樓層建筑面積。

2)建筑面積計算。采用切片法提取得到的每一樓層特征線，并通過輸出繪圖交換文件(dxf格式文件)，將其導(dǎo)入CAD軟件，在數(shù)據(jù)工程編輯狀態(tài)下繪制建筑物線劃圖，從而計算建筑物面積。

3.3 立面圖繪制

根據(jù)建筑物竣工驗收要求，核對建筑物竣工立面圖是一項重要工作，本項目根據(jù)掃描點云數(shù)據(jù)繪制的建筑物竣工立面圖與建設(shè)單位提供的竣工建筑物立面圖進行對比，可清晰了解其立面圖的實際尺寸與現(xiàn)場符合情況等。本工程的立面圖繪制流程如圖5所示，采用項目組自主研發(fā)軟件Laserscanner，對點云數(shù)據(jù)三維模型進行主立面投影，并采用三維量測模式進行量測，輸出繪圖交換dxf文件，將其導(dǎo)入CAD軟件中，在規(guī)劃管理工程模板下，并根據(jù)地面LiDAR部件高分辨率數(shù)碼相機所獲得的高清晰圖片，進行立面線劃圖繪制。

圖5 立面圖繪制流程

圖6 南豐國際會展中心塔樓點云圖

采用三維激光掃描儀進行建筑物竣工測量，其中最終產(chǎn)品之一是建立目標(biāo)物的三維模型(見圖6)，并可在模型上提取斷面圖，進行量測、面積計算等。根據(jù)點云經(jīng)過建模處理之后繪制的塔樓竣工立面圖如圖7所示。

圖7 根據(jù)點云繪制的竣工立面圖

4 結(jié)果分析

項目采用地面三維激光掃描儀結(jié)合全站儀觀測，以南豐國際會展中心第9層為例，對該點云數(shù)據(jù)進行再次濾波去噪處理，并將其連接成線(如圖8所示)，并與全站儀觀測數(shù)對比，各角點坐標(biāo)比較如表1所示。

圖8 南豐國際會展中心第9層點云平面圖

表1 全站儀與三維激光掃描測量點位坐標(biāo)對比 m

由于兩幢樓塔樓各樓層中心均有中空，采用全站儀觀測計算南豐國際會展中心第9層外圍面積為3 134.0 m2(未扣除中空面積)，三維激光掃描儀計算面積為3 133.1 m2，面積相差甚小。根據(jù)前面建筑物面積測算方法計算各層面積如表2所示。

表2 全站儀與三維激光掃描測量各樓層面積對比 m2

5 結(jié)束語

城市化進程中的異形建筑增多、規(guī)劃管理復(fù)雜化，傳統(tǒng)二維竣工測量已不能滿足規(guī)劃管理的要求。地面三維激光掃描儀以其自身的技術(shù)特點，能夠獲取一些全站儀難以采集到的建筑物角點，本文以廣州市會展中心某異形建筑為工程實例，來驗證三維激光掃描技術(shù)在城市異形建筑竣工測量中的可行性。首先對三維竣工測量作業(yè)流程進行了總體闡述，繼而介紹了三維竣工測量數(shù)據(jù)采集中的控制測量和激光掃描測量數(shù)據(jù)采集流程與技術(shù)，最后對三維竣工測量數(shù)據(jù)處理中的掃描測量數(shù)據(jù)預(yù)處理、建筑物面積測算和立面圖繪制3個關(guān)鍵過程進行分析研究。三維竣工測量數(shù)據(jù)與全站儀觀測數(shù)據(jù)進行比對分析，點位和面積結(jié)果相差甚少，能夠滿足建筑竣工測量需求。綜上述，筆者認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形建筑物驗收測量中具有較好的應(yīng)用價值，應(yīng)該在特定的規(guī)劃驗收中推廣使用。

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[責(zé)任編輯：張德福]

ResearchofgroundLiDARtechnologyinspecial-shapedbuildingsfinalsurveying

Lü Lei, XING Han-fa, WANG Xu-quan

(Guangzhou Urban Planing & Design Institute, Guangzhou 510060, China)

Based on the analysis of ground LiDAR technology in Guangzhou Exhibition Center, a special building as an example, presents a complete measurement method of city building based on ground LiDAR techniques. The general engineering situation and operation process are discussed, and then the key technology of 3D surveying data acquisition and process are introduced in details, finally the engineering results are analyzed. The results show that the ground LiDAR technology has a good application prospect in the measurement of special-shaped buildings wrth complex structure.

special-shaped buildings; final surveying; ground LiDAR; 3D point clouds; elevation drawing

2013-08-03

廣州市科技計劃項目(2012Y2-00035；2013Y2-00031)

呂 磊(1982-)，男，工程師.

P234

：A

：1006-7949(2014)01-0073-05