建筑物日照分析測量研究

陳永星 王蕾

鄭州市規劃勘測設計研究院，河南 鄭州 450000

建筑物日照分析測量研究

陳永星 王蕾

鄭州市規劃勘測設計研究院，河南 鄭州 450000

簡述建筑物日照分析測量時代要求和技術方法現狀，介紹了三維激光掃描技術的工作原理和發展，提出三維激光掃描技術與日照分析測量相結合的技術話題。

日照分析；全站儀；三維激光掃描儀；點云數據

Abstract

the building sunshine analytical measurement requirements and technical method of3D laser scanning technology, introduces the work principle and the development, proposed the 3D laser scanning technology and sunshine analytical measurement combining technical topics.

Keywords

the sunshine analysis；tachometer；3 d laser scanning；the point cloud data

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，人們生活水平的提高，對生活環境的質量要求越來越高，建筑物采光問題成為城市規劃發展中投訴的焦點。長期以來，因為日照采光而引起矛盾甚至導致法律糾紛的事件屢見不鮮，這些大多是由于在設計或審查階段日照分析得不夠科學準確的原因。日照分析涉及到時間、地域、建筑造型等多種復雜因素，要將這些相互影響的因素綜合起來進行人工精確計算分析是非常困難的。而隨著城市化的進程加快，城市規劃容積率也越來越大，建筑物越來越密集，很多地方因此造成的糾紛也越來越嚴重，城市規劃部門在建設規劃審批前對日照分析測量的要求就越來越高。

2 傳統日照分析測量方法

平面位置測量多為采用全站儀數字化測繪，建筑物標高測量多采用普通水準測量聯合全站儀三角高程測量，懸高測量或鋼尺量測等方法。這些常規的技術該文不再累述。

3 新方法新思路的探討

地面三維激光掃描技術的出現是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱“三維激光掃描系統”是繼GPS (Global Position System)技術以來測繪領域的又一次技術革命。它突破傳統數據采集的局限性，通過高速激光測量的方法，快速、精確、大量地獲取物體表面每個采樣點的三維空間坐標，為科學準確建立數據模型提供了一種全新的技術手段。隨著科學技術的不斷發展，三維激光掃描技術在數字城市建設中的應用越來越受到人們的關注，它可以快速精確的獲取城市建筑物等三維幾何信息，為建設數字城市提供了科學數據，具有重大的現實和歷史意義。

三維激光掃描儀是無合作目標激光測距儀與角度測量系統組合的自動化快速測量系統,在復雜的現場和空間對被測物體進行快速掃描測量,直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強度,自動存儲并計算,獲得點云數據。最遠測量距離一千多米,最高掃描頻率可達每秒幾十萬,縱向掃描角θ接近90°,橫向可繞儀器豎軸進行360°全圓掃描,掃描數據可通過TCP/IP協議自動傳輸到計算機,外置數碼相機拍攝的場景圖像可通過USB數據線同時傳輸到電腦中。點云數據經過計算機處理后,結合CAD可快速重構出被測物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。

圖1 地面三維掃描儀

點云坐標測量原理如下圖所示。被測點云的三維坐標在三維激光掃描儀確定的左手坐標系中定義,XOY面為橫向掃描面,Z軸與橫向掃描面垂直。

圖2 點云坐標測量原理圖

地面三維激光掃描系統主要由三部分組成:掃描儀、控制器(計算機)和電源供應系統。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統和激光掃描系統,同時也集成CCD 和儀器內部控制和校正系統等。在儀器通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉,將激光脈沖發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域,測量每個激光脈沖從發出經被測物表面再返回儀器所經過的時間(或者相位差)來計算距離,同時內置精密時鐘控制編碼器,同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ,因此任意一個被測云點P的三維坐標為:

激光掃描系統的原始觀測數據除了兩個角度值和一個距離值，還有掃描點的反射強度I，用來給反射點匹配顏色。拼接不同站點的掃描數據時,需要用公共點進行變換,以統一到同一個坐標系統中，公共點多采用球形目標。

點云數據以某種內部格式存儲, 因此用戶需要廠家專門的軟件來讀取和處理,OPTEC 的ILRIS-3D 軟件,Cyrax 2500的yclone 軟件,LMS-Z420 的等都是功能強大的點云數據處理軟件, 它們都具有三維影像點云數據編輯、掃描數據拼接與合并、影像數據點三維空間量測、點云影像可視化、空間數據三維建模、紋理分析處理和數據轉換等功能。

我們知道傳統的三維數據獲取主要有:單點采集三維坐標的方法，如GPS 高精度定位、三維坐標測量機、全站儀系統等;基于光學攝影測量原理的近景攝影測量、航空攝影測量等。三維激光掃描技術與全站儀等單點采集三維數據的方法相比：

（1）對被測目標要求不同。全站儀要只能測量反射棱鏡所在位置的點位坐標，被測物體必須是棱鏡能夠到達的地方，難以對危險區域或測量人員難以到達的區域進行測量。而三維激光掃描不需要接觸被測物體就可以工作。

（2）對觀測環境的要求不同。全站儀因為需要瞄準棱鏡，必須在白天或者較明亮的地方進行測量。而三維激光掃描測量可以全天候的進行測量。

（3）測量精度不同。三維激光掃描儀和全站儀的單點定位精度都是毫米級的，三維激光掃描儀的定位精度比全站儀略低，但是目前部分全站式三維激光掃描儀已經可以達到全站儀的精度，滿足日照分析測繪的精度是足夠的。

（4）獲取數據的量不同。全站儀只能夠有限度的獲取目標的特征點。

而三維激光掃描儀可以獲取高密度的觀測目標的海量數據，采樣速率高，對目標的描述細致。

在日照分析測繪中，利用三維激光掃描儀獲取的建筑物點云數據, 然后提取得到建筑物較為精確的邊界，從而確定建筑物的整體輪廓。點云數據經過預處理后，求出平面之間的交點，得到建筑物的頂點坐標，在AutoCAD軟件中可以將這些頂點顯示出來，得到建筑物的總體輪廓線，以此進行三維建模，獲取建筑物的三維數字虛擬仿真模擬。規劃建筑的平面位置圖、層高、總高、室內外高差、戶型圖等數據從項目委托方獲取。獲取數據之后，檢查數據的的完整性和真實可靠性，根據甲方提供的規劃建筑的平面位置及高度數據建立模型；計算規劃區域新建高層建筑的客體建筑范圍。

基于現今三維激光掃描技術特別是點云數據處理技術和軟件尚不成熟，三維激光掃面儀動輒數十萬甚至百萬的價格，在城市日照分析測量中作為一種常規方法尚不現實。但是作者深信隨著技術的發展，儀器生產成本的下降和點云數據處理技術的完善，三維激光掃描儀將在城市規劃測繪技術中得到更多的應用。

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陳永星(1983-),男，助理工程師，主要從事城市測量工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.018