楊新成

（安慶市勘察測繪院）

三維激光掃描測量技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一項高新技術(shù)，他通過主動發(fā)射高速激光對目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，通過收集回波完成測量過程［1］。地面三維激光掃描測量技術(shù)是基于地面固定站，通過發(fā)射激光獲取被測物體表面三維坐標(biāo)、顏色、反色率和對光的吸收特性等多種信息，是一種全新的非接觸式主動測量技術(shù)。傳統(tǒng)的規(guī)劃核實測量是基于全站儀采集建筑物主要特征點的三維坐標(biāo)，然后外業(yè)人工丈量建筑物有關(guān)細(xì)部尺寸，形成建筑物竣工驗收規(guī)劃核實測量成果數(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量技術(shù)具有掃描精度快、實時性強、精度高、主動性強等優(yōu)點，能大幅提升作業(yè)效率，是繼GPS測量技術(shù)之后的又一次測繪領(lǐng)域技術(shù)革命，目前在工程建設(shè)、測量等相關(guān)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。已經(jīng)有測繪生產(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量技術(shù)在規(guī)劃核實測量中的應(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)項目工程已竣工，進(jìn)入規(guī)劃驗收環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行規(guī)劃核實測量，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)《城市測量規(guī)范》要求［4］，建筑物竣工驗收規(guī)劃核實測量的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

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

（2）間距＞50 m的規(guī)劃要素點、地物點間距誤差限差不應(yīng)大于0.1 m，間距≤50 m的規(guī)劃要素點、地物點間距誤差ΔD限差不應(yīng)大于式（1）的計算結(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，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)的高程測量精度：注記點（建筑物首層的室內(nèi)外地坪高程）相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應(yīng)大于0.03 m；其他主要地物高程點相對鄰近圖根點的高程中誤差不應(yīng)大于0.04 m。

2 作業(yè)流程

接受委托任務(wù)后，按照圖2工作流程進(jìn)行作業(yè)組織和實施。

3 控制測量

為保證工程精度，根據(jù)技術(shù)規(guī)程要求［5］，在測區(qū)周邊和小區(qū)內(nèi)部布設(shè)了33個控制點，平面按照III級導(dǎo)線的精度、高程按照圖根三角高程的精度進(jìn)行觀測。經(jīng)過導(dǎo)線平差，成果滿足規(guī)范要求。控制點位置見圖3。

4 地面三維激光掃描

采用徠卡RTC360型三維激光掃描儀，運用其獨有的VIS視覺追蹤技術(shù)實現(xiàn)自由架站掃描，無需整平，放穩(wěn)即測，2個多小時可完成掃描60個站點，完成需要測量的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云，并進(jìn)行點云拼接、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個部分：點云下載、點云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點云數(shù)據(jù)采集。

5.1 點云下載及拼接。

點云下載和拼接均使用Leica Cyclone軟件，點云采用視圖拼接的方法，先進(jìn)行自動拼接，然后根據(jù)拼接報告，選擇拼接誤差較大的點云再進(jìn)行拼接優(yōu)化，最終點云的拼接誤差（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點云坐標(biāo)與同名點導(dǎo)線測量的坐標(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)的點云數(shù)據(jù)。本項目共掃描到了20個導(dǎo)線控制點，采用七參數(shù)法，經(jīng)過優(yōu)化組合，最終選擇7個導(dǎo)線控制點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計算，7個點位見表1。

經(jīng)過計算分析，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；同時對其他13個未參與轉(zhuǎn)換點也進(jìn)行精度評定，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 點云數(shù)據(jù)采集

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

5.4 點云精度統(tǒng)計

根據(jù)前述數(shù)據(jù)處理階段各個環(huán)節(jié)的精度情況，進(jìn)行誤差統(tǒng)計和分析，最終竣工圖的主要精度包括點云拼接精度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度、點云采集精度3部分，根據(jù)式（2）計算點云成果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

數(shù)據(jù)采集完成并經(jīng)過外業(yè)調(diào)繪和補測后，對最終1∶500竣工圖成果中的主要地物進(jìn)行絕對精度、相對精度、高程注記點精度、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)線點上架站，利用無棱鏡采集地物點的坐標(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，與點云成果線劃圖中對應(yīng)的值進(jìn)行逐項比較。

6.1 點位精度

隨機(jī)選取全站儀采集的30個點位坐標(biāo)與點云成果1∶500竣工圖中對應(yīng)的點位坐標(biāo)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)見表3。

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

6.2 間距中誤差

將外業(yè)丈量的20個建筑物邊長與1∶500竣工圖對應(yīng)的建筑物邊長進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)計算見表4。

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

6.3 高程測量精度

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

由表5統(tǒng)計分析可得，利用三維激光掃描儀取得的注記點高程中誤差為0.01 m，滿足主要地物高程點中誤差不應(yīng)大于0.04 m的要求。因現(xiàn)場環(huán)境影響，三維激光掃描作業(yè)環(huán)節(jié)未對建筑物首層室內(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 工作效率對比

工程結(jié)束后，對三維激光掃描技術(shù)和常規(guī)的全站儀技術(shù)進(jìn)行效率評估和對比，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，并且減少了外業(yè)勞動強度，提高了生產(chǎn)力。

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通過點云精度分析可以得知，基于地面三維激光掃描技術(shù)取得的點云成果，影響其精度主要是點云拼接精度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度以及點云數(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：表中時間已換算為單人所用時間。

8 結(jié)語

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