李勝天 肖琦

（1.江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊，江西 南昌 330001；2.江西省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，江西 萍鄉(xiāng) 337055）

1 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，城鎮(zhèn)居民生活水平日益改善，人們對居住環(huán)境的要求有了進(jìn)一步提高，住宅日照問題逐漸成為廣大市民關(guān)注的焦點[1]。同時，隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑物越來越密集，容積率也越來越大，很多地方因為日照問題造成的糾紛時有發(fā)生。因此，對審批建筑物與周圍已建或擬建建筑物進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的日照分析測量的需求越來越大，城市規(guī)劃部門在建設(shè)規(guī)劃審批前對日照分析測量的要求越來越高。日照分析測量涉及時間、地域、建筑造型等多種復(fù)雜因素，要將這些相互影響的因素綜合起來進(jìn)行人工精確計算分析是非常困難的[2]?；诔Ｒ?guī)儀器的測繪手段存在外業(yè)工作量大、需手工制圖等不足，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)狀需求，急需一種快速有效的日照分析測量成圖技術(shù)來代替。本文以某建筑物為例，利用三維激光掃描技術(shù)獲取其表面的陣列式點云數(shù)據(jù)和幾何圖像，大范圍并快速地采集建筑物立面信息，為日照分析測量提供了一種全新的技術(shù)手段。

2 日照分析測量

日照分析測量的主要目的是分析待建建筑物對周圍擬建或已建的現(xiàn)狀建筑物可能產(chǎn)生的日照影響，提供科學(xué)準(zhǔn)確的日照分析報告，是城市規(guī)劃部門審核設(shè)計方案的依據(jù)之一[3]。一般情況下，對于周圍擬建建筑物來講，日照分析所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以從該建筑已批準(zhǔn)的修建性詳細(xì)規(guī)劃資料中獲取；對周圍已建的現(xiàn)狀建筑物而言，日照分析所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)必須做到實時、準(zhǔn)確、可靠，這也是日照分析測量的重點所在。圍繞日照分析所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，日照分析測量工作主要包括以下內(nèi)容：

（1）建筑平立面圖測量。現(xiàn)狀建筑物的平立面圖是進(jìn)行日照分析的基礎(chǔ)，也是日照分析測量的首要任務(wù)[4]，主要包括建筑物拐點坐標(biāo)的測定、建筑結(jié)構(gòu)、建筑層數(shù)等。

（2）建筑高度測量。建筑高度是指室內(nèi)地坪至遮陽點的垂直距離，是判斷建筑物之間是否產(chǎn)生日照影響的一個重要因素[5]。由于建筑的屋頂部分，包括凸出屋面的水箱、電梯間、構(gòu)架等設(shè)施對日照采光產(chǎn)生影響，因此其自身高度應(yīng)包含在建筑高度內(nèi)。

（3）高程測量。日照分析時僅有建筑物的平面位置和建筑高度是不夠的，還必須結(jié)合建筑物所在位置的地面起伏狀況，因此必須測量建筑物的室內(nèi)外地坪的高程。

（4）窗戶及陽臺位置測量。窗戶分析報表是日照分析報告的重要組成部分，同時對陽臺的影響也不可忽略，因此必須測量建筑物向陽面的窗戶及陽臺位置。 （5）建筑層高測量。建筑層高也是日照分析所必需的數(shù)據(jù)，建筑層高是指建筑室內(nèi)凈高加上樓板厚度，一般情況下只需量取一層至三層的層高，特殊情況下需量取三層以上部分的層高。

3 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是20 世紀(jì)以來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，是利用激光進(jìn)行高速、實時、自動獲取給定區(qū)域目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)，屬于一種大面積高密度非接觸式主動測量技術(shù)[6]。在測量過程中，利用激光測距原理，激光發(fā)射單元從上到下、從左到右發(fā)射激光束，接收物體反射回的激光信號，通過計算脈沖或者相位時間差，推算出掃描中心距目標(biāo)斜距，再配合同時記錄下的激光束的水平角、垂直角解算物體表面激光點的三維坐標(biāo)，同時記錄激光點反射強(qiáng)度值，實現(xiàn)全自動陣列式掃描，其定位原理如圖1 所示。

圖1 地面三維激光掃描儀定位原理

由圖1 所示定位原理來看，地面三維激光掃描儀主要通過測距測角解算目標(biāo)物體相對于儀器中心的三維坐標(biāo)，類似于無棱鏡全站儀。在掃描過程中，以儀器中心為坐標(biāo)系原點，激光掃描儀初始掃描方向固定為Y 軸，豎直方向為Z 軸，并以右手坐標(biāo)系法則確定X 軸構(gòu)建了掃描儀自身測量坐標(biāo)系[7]。若測量過程中使用了標(biāo)靶定向，還可將點云從掃描儀自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)系下。

在式（1）中，D為所測儀器中心至目標(biāo)點斜距，θ為所測垂直角，φ為所測水平角，通過式（1）即可解算出待測點的三維空間坐標(biāo)X、Y、Z，從而獲得在同一空間參考系表達(dá)目標(biāo)空間分布的點云。

4 項目實例

4.1 項目背景

南昌市紅谷灘區(qū)某地塊擬開發(fā)建設(shè)高層建筑物，其北側(cè)居住小區(qū)的部分沿街建筑物可能受到采光影響，需進(jìn)行日照分析測量。該處沿街的建筑風(fēng)格多樣、新舊不一、高低懸殊，給測量工作帶來一定的困難。考慮到利用傳統(tǒng)測繪方法施測難度較大，項目組決定利用三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，并利用免棱鏡全站儀采集特征點的方式進(jìn)行精度檢查。

4.2 工作流程

三維激光掃描技術(shù)在日照分析測量中的應(yīng)用主要包括三個流程：外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、立面模型建立與分析，具體流程如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描系統(tǒng)工作流程

4.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）標(biāo)靶控制測量

結(jié)合日照分析測量的特點和周邊環(huán)境，并依據(jù)掃描的目的和精度要求，在建筑物的拐角處布置標(biāo)靶控制點并用鋼釘做標(biāo)志，保證測站之間兩兩通視，并確保與建筑物待測立面通視良好。布設(shè)好控制點后，利用CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 首先聯(lián)測周邊已知控制點，經(jīng)校核無誤后方可進(jìn)行觀測，每個標(biāo)靶控制點均觀測兩次，取兩次觀測值的平均值作為終值，最終得到每個控制點在CGCS2000 坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)和高程，便于后期將掃描點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到該大地坐標(biāo)系下。

（2）點云和影像數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)的獲取采用華測Z+F IMAGER 5010C 地面高精度激光掃描儀，該掃描儀具有易攜輕量化、外業(yè)操作簡單、快速等優(yōu)點，它使用極其纖細(xì)的近紅外線激光束，采用非接觸式快速獲取數(shù)據(jù)的脈沖式掃描機(jī)制原理，每秒發(fā)射最高可達(dá)110 萬點的纖細(xì)激光束，能獲取相對精度高、覆蓋范圍廣的點云數(shù)據(jù)，單站即能獲取一幢樓一個立面的點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)采集的具體步驟為：架設(shè)三維激光掃描儀、整平并設(shè)置適宜的高度、設(shè)置好掃描參數(shù)、將后視標(biāo)靶架設(shè)在已知點、直接對待測立面進(jìn)行掃描并獲取點云和影像數(shù)據(jù)，部分建筑物影像如圖3 所示。

圖3 部分建筑物影像

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將采集到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入和儀器配套的Recap 360 軟件中，點云數(shù)據(jù)處理主要有點云拼接、點云去噪、點云統(tǒng)一、數(shù)據(jù)導(dǎo)出四個步驟[8]。

（1）點云拼接

為保證沿街建筑物表面點云配準(zhǔn)的精度，采用序列拼接的方法，即從第一站開始，首先利用前兩站點云間的2 個球形標(biāo)靶進(jìn)行初配準(zhǔn)，然后再利用相互重疊的點云進(jìn)行ICP 配準(zhǔn)。同理，按照此方法將所有測站的點云數(shù)據(jù)拼接完成后，經(jīng)檢測首尾重疊處的點云相差小于6mm，滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。

（2）點云去噪

利用Recap 360 軟件手動去除點云中含有粗差的數(shù)據(jù)和無效的形體數(shù)據(jù)，這一過程屬于去噪處理，在軟件中打開拼接完成后的所有點云總圖，通過旋轉(zhuǎn)、放大操作將點云調(diào)整到理想位置，根據(jù)需要在工具欄中選擇合適的工具去除噪聲點。

（3）點云統(tǒng)一

相鄰兩站的點云數(shù)據(jù)在去噪以后存在大量的冗余，造成數(shù)據(jù)量增大、采樣間隔不一致的狀況[9]，因此需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。具體過程就是在保證質(zhì)量的前提下，再次利用Recap 360 軟件對點云進(jìn)行統(tǒng)一化處理，同時將多站點云進(jìn)行壓縮并合并成一個整體。

（4）數(shù)據(jù)導(dǎo)出

將Recap 360 軟件中預(yù)處理完成后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出成特定格式，以便在點云成圖軟件中進(jìn)行深加工，部分建筑的點云成果數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 部分建筑的點云成果數(shù)據(jù)

4.5 日照分析用圖制作

采用City Scene 點云處理軟件進(jìn)行日照分析用圖的制作，主要步驟如下：

（1）讀入激光點云數(shù)據(jù)：打開City Scene 軟件，以反射率方式渲染待繪制立面的單站激光點云數(shù)據(jù)。

（2）建筑物特征點、線繪制：利用City Scene 軟件的點、線繪制工具，提取得到建筑物及窗戶較為精確的邊界或邊界特征點，從而確定建筑物的整體輪廓，將繪制的特征點、線導(dǎo)出成dxf 格式的文件。

（3）坐標(biāo)平移糾正：將采用傳統(tǒng)方法測得的建筑立面單個特征點作為控制點，對從點云數(shù)據(jù)中提取的特征點進(jìn)行整體平移，以提高成果精度。

（4）建筑平立面圖的編輯：將導(dǎo)出的dxf 格式文件導(dǎo)入到AutoCAD 中進(jìn)行編輯，其中的建筑立面圖成果如圖5 所示，基于建筑平立面圖成果進(jìn)行日照分析測量的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的量取。

圖5 建筑物立面圖

4.6 精度檢驗

為了驗證三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)成果的質(zhì)量，選取建筑物的10 個特征點進(jìn)行比較分析，分別用徠卡TCR402 免棱鏡全站儀測量出所有特征點的坐標(biāo)，將其結(jié)果與在三維模型中量取的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 精度統(tǒng)計單位：m

從表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)看出，10 個特征點的平面位置最大誤差為0.045m，高程最大誤差為0.047m，滿足日照分析用圖的精度要求。

4.7 效率分析

將傳統(tǒng)日照分析測量方法與三維激光掃描系統(tǒng)的生產(chǎn)效率進(jìn)行比較：在外業(yè)效率方面，利用GPS-RTK和全站儀測一幢普通民房需要兩個人，用時10 分鐘；而三維激光掃描系統(tǒng)不足1 小時就能完成約50 幢房屋的數(shù)據(jù)采集。在內(nèi)業(yè)效率方面，傳統(tǒng)方法需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行展點，再跟草圖進(jìn)行對比，最后繪制出成果圖；而三維激光掃描系統(tǒng)可以在導(dǎo)出數(shù)據(jù)后直接在點云上進(jìn)行描繪，再經(jīng)簡單處理就可出成果圖。經(jīng)比較，內(nèi)業(yè)出圖效率比傳統(tǒng)作圖高出3 倍以上?？傮w來看，三維激光掃描系統(tǒng)和GPS-RTK、全站儀的測繪方法相比，生產(chǎn)效率至少提高了5 倍以上[10]，應(yīng)用效果顯著。

5 結(jié)束語

三維激光掃描測量技術(shù)的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)日照分析測量的局限性，它不再是利用皮尺、測距儀、全站儀等常規(guī)工具進(jìn)行單點測量的模式，而是能對建筑物進(jìn)行無接觸全方位的測量，使得日照分析測量工作更加快捷、數(shù)據(jù)獲取更加精確，為快速和大范圍測制建筑物幾何圖件提供了一種全新的技術(shù)手段。

隨著無人機(jī)平臺的發(fā)展成熟以及三維激光掃描設(shè)備的輕量化生產(chǎn)，基于無人機(jī)載的三維激光掃描技術(shù)也開始嶄露頭角[11]未來，同時利用多平臺三維激光掃描技術(shù)的一體化作業(yè)模式將使得日照分析測量更加高效快捷，屆時，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用將更加廣闊。