曹慶磊

（青島市勘察測繪研究院）

1 三維激光掃描與城市建筑工程竣工測量分析

三維激光掃描技術(shù)是我國基于現(xiàn)有的測繪方案，融合先進(jìn)技術(shù)所生成的一種新型測量模式。與傳統(tǒng)的二維測量技術(shù)對比，三維激光掃描可以突破傳統(tǒng)測量的局限性，直接獲取測量對象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榧夹g(shù)人員的精準(zhǔn)分析提供全面精確的數(shù)據(jù)支撐，具有高效率、高精度的優(yōu)勢。該技術(shù)通過獲取掃描對象的數(shù)據(jù)，生成更加直觀、系統(tǒng)化的模型，在城市建筑工程竣工測繪中有廣泛應(yīng)用[1]。該技術(shù)利用激光測距原理，通過附帶掃描在建筑測量表面設(shè)置的具有高發(fā)射性的靶標(biāo)點(diǎn)，可以快速地生成被測量建筑的外形，并提供點(diǎn)、面、體等詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)工程竣工測繪提供參考依據(jù)。建筑工程竣工測量工作在工程改建、拓建完畢后，對建筑物的相關(guān)位置、面積等進(jìn)行測量?，F(xiàn)代建筑發(fā)展進(jìn)度較快，異形建筑逐漸增多，如圖書館、劇院等。為了達(dá)到美觀性需求，各地區(qū)造型均有差異。這些異形建筑對于測繪的要求較高，不僅要數(shù)據(jù)全面，同時(shí)還要具備可分析性、可操作性。三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式主動(dòng)測量系統(tǒng)，將準(zhǔn)確的反映建筑的實(shí)際情況，在建筑工程竣工測繪判定中有非常重要的積極作用[2]。

2 三維激光掃描技術(shù)在城市建筑工程竣工測繪中的優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)在城市建筑工程測繪中有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢，改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)分析以及密集處理。三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理，提高了地形測繪的效率。與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具備采樣率高、安全性高、數(shù)字化優(yōu)勢[3]。

在采樣率優(yōu)勢中，三維激光掃描技術(shù)精準(zhǔn)獲取地理信息，提高數(shù)據(jù)的收集效率。三維激光掃描技術(shù)在城市建筑工程測繪中將會(huì)縮短測繪時(shí)間，提高測繪效率[4]。三維激光掃描技術(shù)的覆蓋面積極高，且通過1 次～次掃描就可以精準(zhǔn)地獲取空間信息，避免重復(fù)測量所帶來的不便。在實(shí)際應(yīng)用中，完成數(shù)據(jù)采集時(shí)三維激光掃描技術(shù)還具備抗干擾能力。不受外部環(huán)境影響，如不良天氣、較低或較高溫度等，不間斷完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

3 三維激光掃描技術(shù)在城市建筑工程竣工測繪中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 現(xiàn)場分析

三維激光掃描技術(shù)在城市建筑工程竣工測繪中，可以提前進(jìn)行現(xiàn)場分析?？紤]工程測繪技術(shù)的地區(qū)有一定的差異，不僅包含地區(qū)差異，也包含了建筑外形差異。在進(jìn)行三維激光掃描工作前，要進(jìn)行區(qū)域地形特征收集，確保最終的測量質(zhì)量，使測量工作能夠順利開展。三維激光掃描儀對所有參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對目標(biāo)測量區(qū)域進(jìn)行實(shí)地考察，并確定信號(hào)。在此過程中，要選擇廣闊的工作站，才有利于獲取測量區(qū)域的數(shù)據(jù)，從而提高地形測量的精準(zhǔn)性。在測量技術(shù)確認(rèn)中，盡可能提高并維持理想的測量標(biāo)準(zhǔn)，減少原始數(shù)據(jù)收集過程中出現(xiàn)的模糊以及漏測、誤采等問題。

3.2 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集中，包含三維激光攝像機(jī)調(diào)試、三維激光掃描架建設(shè)、三維激光數(shù)據(jù)收集以及三維激光數(shù)據(jù)交換[7]。

在攝像機(jī)調(diào)試中，為了保障三維激光掃描的精度，提高攝像的時(shí)效性。拍攝照片的清晰度非常重要，要考慮光線以及曝光時(shí)間，使攝影測量精準(zhǔn)性得到保障。在雨霧天作業(yè)時(shí)，三維激光掃描技術(shù)可以解決傳統(tǒng)測繪攝影中存在的“霧氣”問題。例如，延長拍攝時(shí)間或進(jìn)行多組拍攝，取得精準(zhǔn)的樣張。

在三維激光掃描架建設(shè)中，地面的平整度非常重要，避免出現(xiàn)掃描儀不穩(wěn)定或傾斜等問題。在掃描過程中，掃描儀需要自由旋轉(zhuǎn)，以便獲取精準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)。在旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光掃描儀不可接觸任何物體，以避免產(chǎn)生意外。

在數(shù)據(jù)收集中，掃描儀所獲取的數(shù)據(jù)不僅能夠便于計(jì)算機(jī)查看，還需要具備理想的兼容性，便于工作人員使用手機(jī)分析數(shù)據(jù)。

在三維激光數(shù)據(jù)分析中，當(dāng)某一區(qū)域掃描完畢后，可分析掃描的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)失誤，若無失誤才可進(jìn)行下一區(qū)域的掃描。數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢，在于合理劃分掃描點(diǎn)。例如，將掃描點(diǎn)劃分為A大區(qū)域、B大區(qū)域、C大區(qū)域。A大區(qū)域劃分為a1、a2等小區(qū)域、B大區(qū)域劃分為b1、b2 等小區(qū)域、C 大區(qū)域劃分為c1、c2 等小區(qū)域。在通過逐步掃描后，創(chuàng)建對應(yīng)的項(xiàng)目名稱，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入。錄入結(jié)束后可重置或保存相機(jī)相關(guān)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測繪分析[8]。

3.3 數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)整理包含了平滑去噪、連接以及點(diǎn)云修復(fù)。

在平滑去噪中，當(dāng)采集到的元素以及數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生干擾。其中，最明顯的便是外部元素以及內(nèi)部元素之間的沖突。平滑去噪處理使用中值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)高斯過濾器進(jìn)行處理。

在匹配連接中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及坐標(biāo)數(shù)據(jù)要求對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)合并。例如，匹配連接方法的坐標(biāo)系，要結(jié)合工作目標(biāo)以及坐標(biāo)系，融合點(diǎn)云的要求，實(shí)現(xiàn)有效測量。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)修補(bǔ)時(shí)，受不可控因素影響。例如，三維數(shù)據(jù)掃描時(shí)，部分區(qū)域有可能會(huì)出現(xiàn)無法掃描等問題，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象，不利于后續(xù)建筑測繪工作的開展。因此，必須要集中修補(bǔ)點(diǎn)云空白，使用現(xiàn)場校準(zhǔn)法以及電源插值法，進(jìn)行數(shù)據(jù)的妥善修復(fù)以及均值分析。

4 三維激光掃描技術(shù)在城市建筑工程竣工測繪中的應(yīng)用

4.1 基本流程分析

在流程分析中，必須要采用三維激光掃描技術(shù)對建筑工程進(jìn)行竣工測量以及驗(yàn)收，如著重對“控制測量”以及“外業(yè)掃描測量”、“竣工圖核對”等工作進(jìn)行分析。

例如，外業(yè)掃描測量是要完成外業(yè)數(shù)據(jù)的采集過程以及拼接過程。如對某控制點(diǎn)架設(shè)三維激光掃描儀，對儀器的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)分析，與另外一測量點(diǎn)進(jìn)行融合。在控制的核心區(qū)域，對靶點(diǎn)進(jìn)行整平、校準(zhǔn)工作。對測量建筑的外形參數(shù)進(jìn)行采集，隨后生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，找到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的靶點(diǎn)位置，進(jìn)行精細(xì)的二次掃描（補(bǔ)掃），獲得對應(yīng)的靶點(diǎn)坐標(biāo)。整理相應(yīng)數(shù)據(jù)，完成拼接。外界點(diǎn)控制測量以及掃描數(shù)據(jù)的采集，使用對應(yīng)軟件進(jìn)行拼接處理。例如，導(dǎo)入文件，將獲取的坐標(biāo)點(diǎn)輸入文件操作系統(tǒng)，隨后建立數(shù)據(jù)檔案。新建文件選擇對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)并輸入，獲得建模數(shù)據(jù)。導(dǎo)入對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件以及控制點(diǎn)坐標(biāo)文件，軟件會(huì)根據(jù)已選擇的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出點(diǎn)云數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)矩陣，并將檢驗(yàn)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充完善。對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行后視定向的匹配操作，就可以保障每一組數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換合理，且能夠與對應(yīng)的坐標(biāo)系匹配。各點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過精準(zhǔn)操作后疊加，就形成了統(tǒng)一的整體數(shù)據(jù)?；跍y站點(diǎn)以及后視點(diǎn)的采集方法，使用的主要方法為帶狀測量、分方測量以及地形測量。

4.2 采集建筑數(shù)據(jù)

在控制測量中，要滿足衛(wèi)星定位。城市測量技術(shù)規(guī)范要求布設(shè)一級(jí)的靜態(tài)GPS 控制網(wǎng)，控制點(diǎn)根據(jù)工程的實(shí)際需求，可控制4 個(gè)、6 個(gè)、8 個(gè)區(qū)域測繪范圍，涵蓋整個(gè)建筑區(qū)域。為了避免在測量過程中出現(xiàn)的偏差性，區(qū)域周圍可以適當(dāng)延長一段距離。在控制網(wǎng)點(diǎn)中，所有的平面控制以及經(jīng)度起點(diǎn)范圍都要以基準(zhǔn)控制點(diǎn)為尺寸點(diǎn)。采用一級(jí)GPS 控制網(wǎng)，不僅能夠保障規(guī)劃驗(yàn)收測試的精度，還能夠?qū)Ⅱ?yàn)收成果納入平面坐標(biāo)系統(tǒng)以及高程系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。使用的三維激光測量儀，反射距離應(yīng)保持在200m～300m 為宜。衛(wèi)星定位以及GPS 控制網(wǎng)二者屬于絕對定向模式，而另一種無靶點(diǎn)相對定位模式則是要在掃描的過程中建立掃描表，提高作業(yè)速度以及匹配效率。

4.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理中，掌握合理原則。數(shù)據(jù)處理是整個(gè)竣工測量工作中的重中之重，保障數(shù)據(jù)處理工作的精準(zhǔn)，就是保障整個(gè)測量結(jié)果的科學(xué)性。例如，在數(shù)據(jù)處理中，要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的強(qiáng)化更新。在三維掃描中必然會(huì)受周圍植物、建筑本體等影響，導(dǎo)致掃描點(diǎn)云的質(zhì)量較差，部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)甚至有模糊問題。在后續(xù)通過補(bǔ)噪、修復(fù)等技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)的針對性，縮小誤差。此外，對于建筑面積的計(jì)算，要選擇合理的采集厚度，對已采集的三維點(diǎn)進(jìn)行切面處理，提取具有特征值的基準(zhǔn)點(diǎn)。隨后，通過上述方法獲取特征線，借助專業(yè)繪圖軟件繪制建筑三維圖，最終得出建筑整體面積。在立面測繪中，結(jié)合建筑物的竣工需求，在測繪時(shí)對點(diǎn)云三維模型進(jìn)行立面投影處理。將所有的數(shù)據(jù)輸入至專業(yè)繪圖軟件中，獲取高清晰的圖片。此外，可以使用切片繪制以及地形繪制方法。例如，切片繪制將解決建筑層次復(fù)雜采集問題，對于某些異形建筑，切片繪制將會(huì)精準(zhǔn)的分析建筑輪廓線。利用切片方法，通過橫切面數(shù)據(jù)進(jìn)行描繪。而地形測繪方法則是考慮點(diǎn)云數(shù)據(jù)過稀，無法判斷明確情況的問題。則可以利用高層優(yōu)勢，使用高層空間進(jìn)行偽色彩渲染，從而使整個(gè)測量對象更容易進(jìn)行判定。

4.4 掌握時(shí)機(jī)施工

掌握合理的施工時(shí)機(jī)，綜合分析數(shù)據(jù)。例如，在完成上述環(huán)節(jié)后，技術(shù)人員必須要分析數(shù)據(jù)信息。對比傳統(tǒng)的測量以及實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間的差異，在建筑竣工測繪中，以17層建筑為例?？紤]建筑高度以及兩棟建筑之間的差異，二者之間有一定的中空。使用傳統(tǒng)的觀測儀，無法獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。而使用三維激光掃描獲取數(shù)據(jù)，就可以精準(zhǔn)的得到前者數(shù)據(jù)為3132.4km2，后者則保持在3133.1km2，二者之間差距較少。因此，三維激光掃描技術(shù)在建筑工程中的竣工測量將會(huì)發(fā)揮積極優(yōu)勢，保障建筑的精準(zhǔn)性。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國建筑數(shù)量將實(shí)現(xiàn)增加。這在無形中對測繪工作提出了更高的要求，技術(shù)人員在后續(xù)實(shí)踐中，必須采用三維激光掃描技術(shù)。通過該技術(shù)的優(yōu)勢，對建筑物進(jìn)行系統(tǒng)性的掃描，獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行分析研究。基于三維立體圖，為施工人員提供更加精準(zhǔn)、詳細(xì)的規(guī)劃，在后續(xù)工程竣工測量中發(fā)揮積極作用。