□王建營(yíng) 譚智

（天津市測(cè)繪院，天津 西青 300381）

三維激光掃描技術(shù)在竣工測(cè)量中的應(yīng)用研究

□王建營(yíng) 譚智

（天津市測(cè)繪院，天津 西青 300381）

三維激光掃描技術(shù)作為近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的新興測(cè)量技術(shù)，以其快速、精確、無(wú)接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，建筑設(shè)計(jì)施工水平日臻成熟完善，各種造型獨(dú)特的建筑也開始涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的竣工測(cè)量作業(yè)方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)此類建筑物的平面位置和高程的精確表達(dá)。本文利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)某建筑進(jìn)行竣工測(cè)量，并與常規(guī)竣工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了三維激光掃描技術(shù)可作為復(fù)雜建筑竣工測(cè)量的一種有效手段。

三維坐標(biāo)；激光掃描；竣工測(cè)量；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

0.引言

建筑工程規(guī)劃竣工測(cè)量指在建筑新建、擴(kuò)建、改建過(guò)程后，對(duì)建筑物進(jìn)行相關(guān)位置、實(shí)際面積進(jìn)行的相關(guān)測(cè)量[1]。根據(jù)規(guī)劃管理的需要，將實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)和建設(shè)工程規(guī)劃許可證及附圖進(jìn)行比對(duì)后繪制建筑面積圖和匯總面積報(bào)表，以便確定項(xiàng)目是否按照許可的內(nèi)容進(jìn)行建設(shè)。傳統(tǒng)的竣工測(cè)量作業(yè)方式包括全站儀數(shù)字測(cè)圖、GPS-RTK測(cè)量、手持測(cè)距儀和鋼尺直接測(cè)量法等[2]。傳統(tǒng)竣工作業(yè)方式能在野外獲取有限個(gè)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用特征點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制數(shù)字地形圖和建筑物形狀得到竣工測(cè)量成果，這種作業(yè)方式簡(jiǎn)單有效，適用于形狀簡(jiǎn)單的建筑工程竣工測(cè)量。

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)水平的日臻成熟完善，各種新式各異的建筑也開始涌現(xiàn)。對(duì)于劇院、博物館、圖書館、大型購(gòu)物商城等復(fù)雜異型建筑而言，傳統(tǒng)竣工測(cè)量作業(yè)方式獲取的有限個(gè)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)難以精確表達(dá)建筑物的平面形狀和高程信息。為此，尋找一種新的作業(yè)方式開展此類建筑的竣工測(cè)量顯得尤為必要。

三維激光掃描技術(shù)作為一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，能大量快速地獲取被測(cè)目標(biāo)的線、面、體、空間等三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)重構(gòu)其三維數(shù)據(jù)模型，反映客觀世界的真實(shí)形態(tài)，能深入各種復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行作業(yè)，并具有點(diǎn)位精度高、采集的空間點(diǎn)密度大、速度快等特點(diǎn)[3]。目前，三維激光掃描技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于考古測(cè)量和文物保護(hù)重建、建筑物三維重建、變形監(jiān)測(cè)、工業(yè)制造等諸多領(lǐng)域[4-7]。

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為復(fù)雜建筑物竣工測(cè)量提供了新的解決思路。利用三維激光掃描技術(shù)可以快速高效獲取大量建筑物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制竣工測(cè)量圖，精準(zhǔn)反應(yīng)建筑物外形和高度信息。本文利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)某建筑進(jìn)行竣工測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并與常規(guī)竣工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了三維激光掃描技術(shù)可作為復(fù)雜建筑竣工測(cè)量的一種有效手段。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選定異形建筑物一棟，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定控制點(diǎn)網(wǎng)，利用三維激光掃描儀對(duì)竣工建筑物外形開展三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描，作業(yè)模式可采用測(cè)站配定向點(diǎn)的點(diǎn)云掃描模式，獲取實(shí)驗(yàn)建筑物完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。

利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮，獲取異形建筑物任意部位的建筑尺寸數(shù)據(jù)。依據(jù)建筑標(biāo)高，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，獲取建筑物每一層的橫截面數(shù)據(jù)，擬合成建筑物每一層輪廓，標(biāo)注擬合輪廓線長(zhǎng)度與常規(guī)竣工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

實(shí)驗(yàn)中三維激光掃描儀為奧地利Riegl激光測(cè)量系統(tǒng)公司生產(chǎn)的Riegl Vz-1000三維激光掃描儀。該掃描儀每秒能發(fā)射30萬(wàn)個(gè)非接觸激光脈沖信號(hào)，百米單次測(cè)量精度達(dá)到8mm，重復(fù)測(cè)量精度提升到5mm，最大測(cè)量距離能夠達(dá)到1400m(反射率>90%）和700m(反射率>20%），掃描角度垂直方向達(dá)到100°（+60°至-40°），水平方向達(dá)到360°（0°至360°）。

常規(guī)竣工測(cè)量采用全站儀數(shù)字測(cè)圖作業(yè)方式。實(shí)驗(yàn)中全站儀采用日本拓普康公司生產(chǎn)的ES-101電子全站儀。該全站儀測(cè)角精度達(dá)到1″，測(cè)距精度為3+2ppm×D mm（無(wú)棱角模式）和3+2ppm×D mm（棱鏡模式）。

2.實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

選定某異形建筑物（如圖1所示）作為實(shí)驗(yàn)建筑物。該建筑造型獨(dú)特，主體為棱臺(tái)異形建筑，由底部至頂部逐漸變小，采用常規(guī)的作業(yè)模式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)規(guī)劃要素的精確表達(dá)。

圖1 異形建筑物外形

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，依據(jù)建筑物外圍輪廓，在建筑物外圍布設(shè)11個(gè)控制點(diǎn)，為保證建筑物第二、三層的退臺(tái)式建筑的掃描，在該建筑物頂部還布設(shè)了7個(gè)控制點(diǎn)，共布設(shè)18個(gè)控制點(diǎn)構(gòu)成掃描控制網(wǎng)。（如圖2所示）每個(gè)控制點(diǎn)至少有一個(gè)與之通視的點(diǎn)，通視點(diǎn)距離控制在200至400米，特殊情況下在100米內(nèi)。控制點(diǎn)至掃描目標(biāo)距離控制在160以內(nèi)。掃描控制網(wǎng)包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。平面控制采用全站儀及配套棱鏡在控制點(diǎn)之間按二級(jí)邊角測(cè)量的技術(shù)要求執(zhí)行，測(cè)角中誤差小于10″，測(cè)距中誤差小于16 mm，測(cè)距相對(duì)中誤差小于1/30000，最弱邊邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差小于1/10000。高程控制在各控制點(diǎn)間開展四等水準(zhǔn)測(cè)量，構(gòu)成閉合水準(zhǔn)網(wǎng)，閉合差小于

圖2 控制網(wǎng)示意圖

利用Riegl Vz-1000三維激光掃描儀，采用測(cè)站配定向點(diǎn)的點(diǎn)云掃描作業(yè)模式對(duì)該建筑開展三維激光掃描，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本建筑共設(shè)站18站，采集數(shù)據(jù)量達(dá)到3GB。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用配套的RiScan Pro軟件，對(duì)外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度評(píng)定，數(shù)據(jù)裁剪和濾波，數(shù)據(jù)壓縮，得到實(shí)驗(yàn)建筑物預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，見圖3。本次實(shí)驗(yàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后，兩測(cè)站間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.05 m，滿足竣工測(cè)量精度要求。數(shù)據(jù)壓縮時(shí)，為保留足夠的物標(biāo)細(xì)節(jié)特征，距離分辨率設(shè)置為0.10 m。

預(yù)處理的點(diǎn)云進(jìn)行特征數(shù)據(jù)提取。提取的數(shù)據(jù)包括：竣工建筑的±零高、制高點(diǎn)、頂高，以及竣工建筑物外輪廓角點(diǎn)坐標(biāo)等建筑物特征信息。（如圖4所示）

依據(jù)建筑物設(shè)計(jì)層高信息，對(duì)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，提取建筑物對(duì)應(yīng)標(biāo)高位置的建筑物橫截面，作為對(duì)應(yīng)層數(shù)的竣工面積。由于本建筑主體為異形結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，需要確定每層凈高0米、1.20米和凈高2.10米的具體位置，以便確定計(jì)算全面積、半面積和不計(jì)算面積的范圍線。在該實(shí)例中，共計(jì)作出9個(gè)橫截面（主體結(jié)構(gòu)共計(jì)3層，每層的0、+1.20、+2.10位置處）。

圖3 預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 切片時(shí)點(diǎn)云

將切片后的點(diǎn)云，輸出至AutoCAD中，分段線性擬合成建筑輪廓線?？鄢淠ɑ覍雍脱b飾層后，標(biāo)注擬合輪廓線長(zhǎng)度，得到該建筑的各邊邊長(zhǎng)，用于繪制建筑物的竣工測(cè)量圖。（如圖5所示）

圖5 某建筑C區(qū)第二層點(diǎn)云橫截面

2.3 結(jié)果分析

利用拓普康ES-101電子全站儀，采用全站儀數(shù)字測(cè)圖作業(yè)方式對(duì)實(shí)驗(yàn)建筑物部分輪廓線進(jìn)行常規(guī)竣工測(cè)量，獲取這些輪廓線的邊長(zhǎng)，與三維激光掃描結(jié)果的擬合輪廓線長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果參見表1：

表1 邊長(zhǎng)比較表

表中結(jié)果顯示，最大的差值為0.10米，最小的差值為0.01米，大部分差值控制在5cm以下，能滿足建筑面積測(cè)量的要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)可作為復(fù)雜建筑竣工測(cè)量的一種備選手段。

3.結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)作為一種快速獲取目標(biāo)地物線、面、體、空間等三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的高精度立體掃描技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于考古測(cè)量和文物保護(hù)重建、建筑物三維重建、工業(yè)制造等方面。本文利用三維激光掃描技術(shù)掃描異形建筑物，基于掃描結(jié)果獲取了建筑物竣工測(cè)量成果，并與常規(guī)竣工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)能夠作為一種特定的竣工測(cè)量手段，用于異形建筑物的竣工驗(yàn)收測(cè)量。

【1】寧津生，陳俊勇，李德仁等.測(cè)繪學(xué)概論[M].第二版.武漢:武漢大學(xué)出版社，2014.

【2】李和氣.房屋建筑面積測(cè)量[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2001.

【3】尹婷.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

【4】尤紅建，蘇林，李樹楷.基于掃描激光測(cè)距數(shù)據(jù)的建筑物三維重建[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2005，20（4）:381-384.

【5】王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測(cè)繪中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.

【6】黨曉斌.三維激光掃描計(jì)算在建筑物形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

【7】白成軍.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用及相關(guān)問(wèn)題研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

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2095-7319（2015）02-0022-05

王建營(yíng)（1981—），男，雙學(xué)士，工程師，天津市測(cè)繪院，現(xiàn)在主要從事GNSS應(yīng)用研究。