基于三維激光的工程測量技術(shù)研究

梁榮祥

摘 要：三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)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(jìn)行掃描操作，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)。本文結(jié)合具體案例探討了三維激光技術(shù)應(yīng)用于建筑竣工測量的詳細(xì)技術(shù)流程。

關(guān)鍵詞：三維激光 測量 城市 建筑竣工測量

中圖分類號：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0075-02

竣工測量（規(guī)劃驗收）是城市建筑工程的一個重要環(huán)節(jié)，其是在建筑工程竣工后，對建筑物實(shí)體進(jìn)行的全方位的測量工作。內(nèi)容包括建筑物的層高和總樓高、測量并標(biāo)注建筑物與其所在地塊的用地紅線坐標(biāo)、建筑物周邊的規(guī)劃道路以及四周關(guān)系。與傳統(tǒng)測量方法相比，地面三維激光掃描技術(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(diǎn)，適合大面積或者表面復(fù)雜的物體測量及其物體局部細(xì)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。目前，城市竣工測量主要為二維平面測量，這些數(shù)據(jù)為規(guī)劃管理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加速，異形建筑越來越多，城市規(guī)劃管理越來越復(fù)雜，二維竣工測量圖不能提供建筑物風(fēng)格、色調(diào)等要素，已經(jīng)不能滿足規(guī)劃管理的要求。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(shí)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)域的可行性。

1 工程概況及作業(yè)流程

1.1 工程概況

某建筑工程為集商業(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，由于其現(xiàn)代幾何式立面結(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(jìn)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)。

1.2 作業(yè)流程

鑒于上述對會展中心異形建筑物竣工驗收的分析，項目組應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行竣工驗收測量。其作業(yè)流程如圖1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。

2 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》（CJJT 73-2010）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(diǎn)4個，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯(lián)測四等水準(zhǔn)8km。一級控制網(wǎng)起算點(diǎn)選用工程附近的紹興市三等以上平面控制點(diǎn)，為提升整網(wǎng)精度，起算點(diǎn)范圍涵蓋4個一級控制點(diǎn)，高程控制以附近二等基巖水準(zhǔn)控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。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紹興市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。

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500m。依據(jù)建筑物異形的特點(diǎn)，本次三維激光掃描主要采用了以下兩種方式：

（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(diǎn)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(jìn)行掃描。對三維激光掃描儀中內(nèi)置的GPS定位功能進(jìn)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)，從而提高了外業(yè)作業(yè)速度和內(nèi)業(yè)配準(zhǔn)效率。工程實(shí)施過程中，對建筑的掃描采用精掃模式。其中一棟樓共掃描27站，其中10站在裙樓上進(jìn)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。另外一棟樓共掃描30站，其中9站在裙樓上進(jìn)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(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測定。

3 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(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)和點(diǎn)云配準(zhǔn)等工作。

3.1.1 點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)

獲取的原始點(diǎn)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了大量的空洞和噪音，致使原始點(diǎn)云質(zhì)量較差，需要進(jìn)行去噪、補(bǔ)洞等處理。首先在地面三維激光掃描儀的配套軟件RiscanPro中去除偏差較大的噪音，再在 Geomagic Studio中進(jìn)一步去噪與交互式操作補(bǔ)洞。

3.1.2 點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行配 準(zhǔn)，從而確定整個點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全局坐標(biāo)。

（2）站站間配準(zhǔn)。

要進(jìn)行粗配，可以采用兩種方法：

①選擇同名特征點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，該方法適用于同名點(diǎn)特征明顯的點(diǎn)，至少要選擇4個同名點(diǎn)，同名點(diǎn)應(yīng)盡量選擇房屋角、線桿頂?shù)燃怃J地物點(diǎn)；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0.01m以內(nèi)，方可進(jìn)行下一站配準(zhǔn)。

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(diǎn)云數(shù)據(jù)的每一層進(jìn)行X-Y水平面切面處理，通過提取特征點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行對比，可清晰了解其立面圖的實(shí)際尺寸，與現(xiàn)場符合情況等。首先利用軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型進(jìn)行主立面投影，并采用三維量測模式進(jìn)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(jī)所獲得的高清晰圖片，進(jìn)行立面線劃圖繪制。采用三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物竣工測量，其最終目的之一是建立目標(biāo)物的三維模型并可在模型上提取斷面圖，進(jìn)行量測、面積計算等。

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，以其中一棟樓的第9層為例，對該點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行再次濾波去噪處理，并將其連接成線，與全站儀觀測數(shù)對比。三維激光掃描儀測量坐標(biāo)精度中誤差為3.4cm，滿足了測量中規(guī)范對竣工測量主要地物點(diǎn)和次要地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于 5cm和7cm的精度要求。

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該樓第9層外圍面積為3134.0m2（未扣除中空面積），三維激光掃描儀計算面積為3133.1m2，面積相差甚小。三維激光掃描儀測量獲取建筑面積與實(shí)際計算面積較差較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足了規(guī)范中對竣工測量面積誤差小于1%的要求。

5 結(jié)語

本文對三維竣工測量作業(yè)流程進(jìn)行了詳細(xì)描述，并以某異形建筑為工程實(shí)例，驗證了三維激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測量中的可行性。與傳統(tǒng)的竣工測量方法相比，基于地面LiDAR的三維竣工方法有如下優(yōu)勢：（1）地面三維激光掃描技術(shù)以其自身的技術(shù)特點(diǎn)，能夠獲取一些傳統(tǒng)全站儀難以采集到的異形建筑物角點(diǎn)，因此其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超大規(guī)模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。（2）三維竣工測量的表現(xiàn)效果和技術(shù)含量更高，傳統(tǒng)竣工測量只需測量平面和少量的高程數(shù)據(jù)，制作二維竣工圖； 而三維竣工測量采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅能制作二維竣工圖，還能根據(jù)需要生產(chǎn)三維模型，技術(shù)含量高，效果真實(shí)，減少竣工環(huán)節(jié)不同部門的專業(yè)限制。（3）三維竣工測量數(shù)據(jù)成果的應(yīng)用范圍更廣，不僅能滿足常規(guī)規(guī)劃驗收需求，其生成的三維模型還能作為系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)，如小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)、智慧社區(qū)系統(tǒng)等。

參考文獻(xiàn)

[1] 張燕.三維激光測量系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測，2015，4（2）：104-108.

[2] 趙麗梅.城市竣工測量新技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016，3（1）：13-15.