三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在規(guī)劃核實(shí)測(cè)量中的應(yīng)用探索

楊新成

（安慶市勘察測(cè)繪院）

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，他通過主動(dòng)發(fā)射高速激光對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，通過收集回波完成測(cè)量過程［1］。地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是基于地面固定站，通過發(fā)射激光獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)、顏色、反色率和對(duì)光的吸收特性等多種信息，是一種全新的非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)。傳統(tǒng)的規(guī)劃核實(shí)測(cè)量是基于全站儀采集建筑物主要特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后外業(yè)人工丈量建筑物有關(guān)細(xì)部尺寸，形成建筑物竣工驗(yàn)收規(guī)劃核實(shí)測(cè)量成果數(shù)據(jù)，并將其在1∶500竣工圖上進(jìn)行表達(dá)。傳統(tǒng)方法測(cè)量效率低，制圖工作量大，難以滿足快節(jié)奏的工程需求［2］；地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)具有掃描精度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能大幅提升作業(yè)效率，是繼GPS測(cè)量技術(shù)之后的又一次測(cè)繪領(lǐng)域技術(shù)革命，目前在工程建設(shè)、測(cè)量等相關(guān)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。已經(jīng)有測(cè)繪生產(chǎn)單位就三維激光掃描技術(shù)在工程建設(shè)或竣工階段中的測(cè)繪工作進(jìn)行了探索性應(yīng)用［3］。本研究結(jié)合工程案例，分析地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在規(guī)劃核實(shí)測(cè)量中的應(yīng)用效果。

1 工程概況及技術(shù)指標(biāo)

1.1 工程概況

某房產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目工程已竣工，進(jìn)入規(guī)劃驗(yàn)收環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行規(guī)劃核實(shí)測(cè)量，獲取建筑物的首層室內(nèi)地坪高、建筑物頂部高程以及建筑物的位置、長(zhǎng)寬、地形地貌等數(shù)據(jù)，最終提交1∶500竣工圖?？⒐D范圍包括10棟建筑物及周邊道路等，具體如圖1所示（圖中①～⑩為待掃描建筑物）。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》要求［4］，建筑物竣工驗(yàn)收規(guī)劃核實(shí)測(cè)量的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）最終竣工圖的主要地物點(diǎn)（涉及規(guī)劃要素的地物點(diǎn)）相對(duì)鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于0.05 m，次要地物點(diǎn)相對(duì)鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于0.07 m，地物點(diǎn)間距中誤差不應(yīng)大于0.05 m，困難地區(qū)地物點(diǎn)相對(duì)鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和地物點(diǎn)間距中誤差不應(yīng)大于0.1 m。

（2）間距＞50 m的規(guī)劃要素點(diǎn)、地物點(diǎn)間距誤差限差不應(yīng)大于0.1 m，間距≤50 m的規(guī)劃要素點(diǎn)、地物點(diǎn)間距誤差ΔD限差不應(yīng)大于式（1）的計(jì)算結(jié)果，困難地區(qū)間距誤差限差為2倍中誤差。

式中，D為邊長(zhǎng)，D≤50 m。

（3）建筑物頂部高程誤差不應(yīng)大于0.10 m。

（4）竣工建筑相關(guān)的高程測(cè)量精度：注記點(diǎn)（建筑物首層的室內(nèi)外地坪高程）相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.03 m；其他主要地物高程點(diǎn)相對(duì)鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.04 m。

2 作業(yè)流程

接受委托任務(wù)后，按照?qǐng)D2工作流程進(jìn)行作業(yè)組織和實(shí)施。

3 控制測(cè)量

為保證工程精度，根據(jù)技術(shù)規(guī)程要求［5］，在測(cè)區(qū)周邊和小區(qū)內(nèi)部布設(shè)了33個(gè)控制點(diǎn)，平面按照III級(jí)導(dǎo)線的精度、高程按照?qǐng)D根三角高程的精度進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)過導(dǎo)線平差，成果滿足規(guī)范要求?？刂泣c(diǎn)位置見圖3。

4 地面三維激光掃描

采用徠卡RTC360型三維激光掃描儀，運(yùn)用其獨(dú)有的VIS視覺追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)自由架站掃描，無需整平，放穩(wěn)即測(cè)，2個(gè)多小時(shí)可完成掃描60個(gè)站點(diǎn)，完成需要測(cè)量的10棟建筑物及周邊道路等地形、地貌的數(shù)據(jù)采集。在掃描儀可視范圍內(nèi)的控制點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶，為后期坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換提供條件。三維激光掃描儀架站點(diǎn)位布置情況見圖4。

外業(yè)架站掃描結(jié)束后，在圖形工作站上下載點(diǎn)云，并進(jìn)行點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)采集等數(shù)據(jù)處理。

5 數(shù)據(jù)處理及精度分析

數(shù)據(jù)處理主要包括4個(gè)部分：點(diǎn)云下載、點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

5.1 點(diǎn)云下載及拼接。

點(diǎn)云下載和拼接均使用Leica Cyclone軟件，點(diǎn)云采用視圖拼接的方法，先進(jìn)行自動(dòng)拼接，然后根據(jù)拼接報(bào)告，選擇拼接誤差較大的點(diǎn)云再進(jìn)行拼接優(yōu)化，最終點(diǎn)云的拼接誤差（mP）平均值為0.02 m。

5.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

因采取的是自由架站的方式進(jìn)行掃描，最終獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于自由坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，需要通過提取掃描的控制點(diǎn)點(diǎn)云坐標(biāo)與同名點(diǎn)導(dǎo)線測(cè)量的坐標(biāo)進(jìn)行匹配轉(zhuǎn)換，得出具有CGCS2000坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目共掃描到了20個(gè)導(dǎo)線控制點(diǎn)，采用七參數(shù)法，經(jīng)過優(yōu)化組合，最終選擇7個(gè)導(dǎo)線控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，7個(gè)點(diǎn)位見表1。

經(jīng)過計(jì)算分析，由表1可得轉(zhuǎn)換參數(shù)的平面內(nèi)符合精度為0.011 m，高程內(nèi)符合精度為0.003 m；同時(shí)對(duì)其他13個(gè)未參與轉(zhuǎn)換點(diǎn)也進(jìn)行精度評(píng)定，由表2可得轉(zhuǎn)換參數(shù)的平面外符合精度（mW）為0.012 m，高程外符合精度為0.004 m。

5.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，在CAD高版本中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，提取規(guī)劃核實(shí)數(shù)據(jù)，繪制1∶500竣工圖，見圖5。經(jīng)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云的厚度最大為0.01 m，所以點(diǎn)云采集的精度（mC）按0.01 m進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。

5.4 點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)前述數(shù)據(jù)處理階段各個(gè)環(huán)節(jié)的精度情況，進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)和分析，最終竣工圖的主要精度包括點(diǎn)云拼接精度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度、點(diǎn)云采集精度3部分，根據(jù)式（2）計(jì)算點(diǎn)云成果1∶500竣工圖的平面最終精度m為0.025 m。

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6 精度檢測(cè)

數(shù)據(jù)采集完成并經(jīng)過外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)后，對(duì)最終1∶500竣工圖成果中的主要地物進(jìn)行絕對(duì)精度、相對(duì)精度、高程注記點(diǎn)精度、建筑物頂部高程精度等進(jìn)行外業(yè)檢查。檢查使用徠卡TS02（5"）型全站儀，在導(dǎo)線點(diǎn)上架站，利用無棱鏡采集地物點(diǎn)的坐標(biāo)和內(nèi)部道路上的高程，以及建筑物頂部的高程值。根據(jù)全站儀采集的數(shù)據(jù)和外業(yè)丈量的值，與點(diǎn)云成果線劃圖中對(duì)應(yīng)的值進(jìn)行逐項(xiàng)比較。

6.1 點(diǎn)位精度

隨機(jī)選取全站儀采集的30個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)與點(diǎn)云成果1∶500竣工圖中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)見表3。

由表3統(tǒng)計(jì)分析可得，利用三維激光掃描儀取得的地物點(diǎn)位置中誤差為0.015 m，滿足主要地物點(diǎn)中誤差不應(yīng)大于0.05 m、次要地物點(diǎn)中誤差不應(yīng)大于0.07 m的要求。

6.2 間距中誤差

將外業(yè)丈量的20個(gè)建筑物邊長(zhǎng)與1∶500竣工圖對(duì)應(yīng)的建筑物邊長(zhǎng)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)計(jì)算見表4。

由表4統(tǒng)計(jì)分析可得，利用三維激光掃描儀取得的地物點(diǎn)間距中誤差為0.008 m，滿足地物點(diǎn)間距中誤差不應(yīng)大于0.05 m的要求。

6.3 高程測(cè)量精度

1∶500竣工圖中的高程是直接根據(jù)點(diǎn)云成果在相應(yīng)的位置注記，利用全站儀隨機(jī)測(cè)量了20個(gè)高程值，與點(diǎn)云的相應(yīng)高程進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。

由表5統(tǒng)計(jì)分析可得，利用三維激光掃描儀取得的注記點(diǎn)高程中誤差為0.01 m，滿足主要地物高程點(diǎn)中誤差不應(yīng)大于0.04 m的要求。因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，三維激光掃描作業(yè)環(huán)節(jié)未對(duì)建筑物首層室內(nèi)地坪進(jìn)行掃描，但通過表5分析結(jié)果可以推斷，通過三維激光掃描技術(shù)取得的首層室內(nèi)地坪高程中誤差≤0.03 m。

6.4 建筑物頂部高程精度

根據(jù)點(diǎn)云成果在建筑物女兒墻頂位置直接注記建筑物頂部高程，利用全站儀測(cè)量建筑物相應(yīng)女兒墻位置的高程值，二者進(jìn)行比較，見表6。

由表6統(tǒng)計(jì)分析可得，利用三維激光掃描儀取得的建筑物頂部高程中誤差為0.02 m，滿足建筑物頂部高程誤差不應(yīng)大于0.10 m的要求。

7 工作效率對(duì)比

工程結(jié)束后，對(duì)三維激光掃描技術(shù)和常規(guī)的全站儀技術(shù)進(jìn)行效率評(píng)估和對(duì)比，結(jié)果見表7。

表中全站儀技術(shù)的工作效率是根據(jù)其他工程進(jìn)行推算得到，地面三維激光掃描技術(shù)屬于初次使用，操作還不夠熟練。表中的結(jié)果僅為參考，但地面三維激光掃描技術(shù)效率高是行業(yè)公認(rèn)的事實(shí)，并且減少了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)力。

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通過點(diǎn)云精度分析可以得知，基于地面三維激光掃描技術(shù)取得的點(diǎn)云成果，影響其精度主要是點(diǎn)云拼接精度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集精度，本案例采用視圖拼接模式，如果采用標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，可以提高三維激光掃描技術(shù)的成果精度［6］。

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注：表中時(shí)間已換算為單人所用時(shí)間。

8 結(jié)語

規(guī)劃核實(shí)測(cè)量中利用地面三維激光掃描技術(shù)可以主動(dòng)地獲取建筑物表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理可以為規(guī)劃監(jiān)督管理部門提供高質(zhì)量的測(cè)量成果，相比于傳統(tǒng)測(cè)繪的測(cè)量方式，主要優(yōu)點(diǎn)有獲取數(shù)據(jù)的采用頻率高、通過非接觸測(cè)量降低安全風(fēng)險(xiǎn)、效率高、成果精度可靠。