基于地面三維激光掃描的三維竣工規劃核實技術研究

(重慶市勘測院，重慶 400020)

基于地面三維激光掃描的三維竣工規劃核實技術研究

胡章杰，薛梅

(重慶市勘測院，重慶 400020)

介紹了一種利用地面三維激光掃描技術來輔助建設工程的規劃竣工核實的技術路線。研究了內業數據處理的相關技術，詳細介紹了微地形提取流程和規劃竣工核實的主體建筑物立面輪廓特征線提取技術。利用從點云數據中提取的相關特征，采取交互式建模的方式進行三維建構筑物建模，最后將地面三維激光掃描的成果整合到三維規劃竣工核實應用中。

地面三維激光掃描；規劃竣工核實；微地形；特征提取；交互式建模

1 前 言

近年來，隨著經濟水平及測繪技術的提高，地面三維激光掃描作為一種現代高科技逐漸在規劃、測繪等領域得到研究與應用，相比于傳統測繪手段的數據采集與處理方式，地面三維激光掃描技術具有很多無可替代的優點。本文將研究該技術在三維規劃竣工核實中的應用，提高建筑規劃管理的精度、時效性和高效性。

建筑規劃竣工核實是對已竣工建筑的整個項目進行的審核工作，根據城市規劃管理部門批準的規劃建筑紅線圖、總平面圖、規劃用地紅線圖，對已竣工建筑項目的尺寸、高度、層數、間距、退讓以及平面位置進行實地核實并測算總體指標，為工程驗收和評定工程質量提供依據，是城市規劃行政主管部門對已批準的建筑工程進行規劃監督檢查的重要環節。

三維規劃竣工核實主要利用傳統的測繪手段獲取1∶500地形圖，提取地物幾何特征，綜合正射影像圖、照片提取地物紋理特征進行三維建模。這種方式進行竣工三維建模工作量很大，而且無法完全真實還原建筑物屋頂、窗臺等細部特征。所以，研究更加快捷、精確的建筑物三維建模技術和方法是當務之急[1]。

三維激光掃描技術的特點能夠滿足三維規劃竣工核實業務的應用需求。它是規劃竣工核實的發展趨勢，具有模型精度高、外業時間短的優勢，不僅適合三維規劃竣工許可指標的核實，還可以對三維模型竣工測量時的尺寸、色彩和小區環境等進行快速采集。目前國內外還沒有采用地面三維激光掃描技術來輔助三維規劃竣工核實的研究應用，本文將探討針對三維規劃竣工核實的技術路線。

2 研究背景

2.1 三維規劃竣工核實的主要研究內容

傳統建設工程規劃竣工核實的主要指標有:規劃與竣工方案對比；±0層標高分析；角點坐標分析；建筑面積分類統計；建筑物立面分析。傳統的規劃竣工核實不論是表達方式還是展示效果都不直觀，判讀性差。研究三維規劃竣工核實，進行全空間三維數據采集、建立三維可視化模型、設計符合規劃竣工核實應用特征的用戶接口，為城市規劃審批、監督管理與項目竣工驗收提供服務，有利于提高表現效果、技術水平和工作效率。三維規劃竣工核實主要研究內容包括:高精度的竣工地理空間數據、快速有效的數據采集方法以及科學直觀的應用集成。

選擇合適的數據采集精度是三維規劃竣工核實首先要解決的問題。精度選擇過低，無法滿足規劃審批工作的需要；精度選擇過高，必然增加成本。綜合考慮各個方面因素，將地物根據其重要性分成兩類:主要建(構)筑物，其他建(構)筑物和地貌、地物。因規劃竣工核實的主體是竣工建筑物，其測量精度應提高到圖根點的精度:±5 cm，其他建(構)筑物和地貌、地物不作為竣工核實的主體，其測量精度滿足數字化地形圖測量精度即可。利用地面三維激光掃描技術，使用Rigel VZ1000，測量精度(100 m距離，單點測量) ±5 mm，能夠滿足三維建設工程規劃竣工核實數據采集精度的要求。此外，三維規劃竣工核實角點分析就需要對建筑物的拐角進行精確測量。利用地面三維激光多基站掃描的措施保證竣工建筑物細部點的測量精度，同時還解決了建筑竣工全站儀測量時有些地點測量人員不能到位，用棱鏡采集不到數據等問題。

地面三維激光掃描還具有外業數據采集速度快的優勢，大大節約了現場時間。采集工作強度小，幾分鐘內掃描儀就能自動完成一個區域面積內的三維點云的采集。不需要接觸被測物體，在光線昏暗的環境中甚至在黑夜中均可作業，特別是能對表面復雜的物體進行外形測量。采集到的三維點云模型能轉換成CAD系統或不同軟件操作平臺的數據格式，進行三維建模[2]和管理。

最后，將三維規劃竣工核實的指標如何科學直觀的展現出來也是一個重要的研究內容。

2.2 地面三維激光掃描的研究現狀

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的，是繼GPS以來，測繪領域的又一次技術革命。目前，部分發達國家已經比較成熟地將三維激光掃描技術應用于機載激光測高和城市三維影像模型建立等方面，國內一些專家學者或測繪單位也已經做出了許多相關的研究及嘗試，并取得了很有價值的研究成果。我國在863計劃的支持下，大力發展三維激光掃描成像的信息獲取技術，目前對機載激光掃描系統的研究已經相對成熟，而對地面三維激光掃描系統的研究還處于發展階段，也是國際研究的一個熱點。盡管激光掃描技術已經有十幾年的發展歷史，相應的硬件問題已基本上得到解決，也有不少成熟的商用系統，但在數據處理方面的研究還相對比較落后，特別是直接從點云數據中提取實體特征信息和對目標分類的研究比較缺乏。北京航空航天大學和廣西桂能信息工程有限公司分別利用地面三維激光掃描進行古建筑數字化和山海關長城修復工程，均取得了良好的效果。長安大學地測學院利用Leica地面三維激光掃描進行了黃河小浪底樞紐工程出水大壩三維可視化模型重建，滑坡體的變形監測，三維景觀模型重建等工作。

本文提出了基于點云的微地形提取流程和規劃竣工核實的主體建筑物立面輪廓特征線提取技術。

3 技術路線

三維激光掃描應用于規劃竣工核實的技術路線主要分為外業數據采集、內業數據處理和與規劃竣工核實平臺整合三大部分。如圖1所示:

圖1 技術路線

3.1 控制點布設及目標點云采集

外業數據采集包括標靶及控制點布設與測量和數據全景掃描兩部分工作。在外業數據采集時，通常一個區域的點云數據采集需要很多測站來完成。不同測站的測量數據拼接到一起就需要標靶來完成，根據掃描儀測程，需要在各相鄰測站重合的位置布設標靶以供點云拼接需要。控制點的平面坐標和高程測量可以采用RTK測量。

3.2 點云拼接與影像配準

為了構建目標完整的三維模型，需要選擇不同的視點對目標進行掃描。因此點云拼接就是將從不同視點獲取的激光點云數據統一到某個固定的坐標系中。本文所有的實驗數據采用的是基于標靶的全自動點云拼接算法[3]。利用數字影像可以提供豐富的光譜信息和真實的紋理信息，采用基于圖像配準的方法將激光點云和數字影像相結合。圖2是小區的激光點云經過多站拼接和影像配置后的成果。

圖2 激光點云數據

3.3 點云分類濾波、抽稀、微地形提取

從激光點云中提取微地形對三維重建有重要的作用，首先需要對原始的激光點云數據進行分類濾波，去除車輛、行人、樹木等因素的影像。由于點云數據過于密集，還應該對數據進行抽稀處理，提高后期點云數據處理的效率。某些測區由于植被過于密集，從點云中提取微地形則需要采用多次迭代分類濾波的方式來進行微地形的提取，微地形提取的主要方法如圖3所示:

圖3 微地形提取主要方法

3.4 特征提取

規劃竣工核實的目標建構筑物往往是規則而復雜的幾何體，直接從處理好的點云數據中提取這些特征目前沒有很成熟的技術。為了減少建模的數據量，提高建模的效率，需要從點云數據中提取一部分特征，后續建模依賴這些特征構建出精確的三維模型。此外還需對整個建構筑物的點云數據進行三角構網，從而得到三維模型的總體外觀，指導精細建模。建筑物的特征提取包括建構筑物骨架特征提取、建筑物立面輪廓提取以及窗戶陽臺樓頂等細節特征提取[4]。建筑物立面輪廓提取是整個三維模型重建精度的關鍵，其主要流程如圖4所示。圖5展示了該技術提取輪廓線的最終效果，從圖中可以看出:最后提取出來的輪廓線條與點云數據幾乎全部擬合，只有極少部分線條最終需要人工校對和調整，采用這種方法保證了建筑物輪廓提取的精度。

圖4 建筑物立面輪廓提取主要流程

圖5 建筑物輪廓提取效果

3.5 高精度建模與應用集成

首先利用建筑物橫截面特征和微地形生成建筑物粗模，然后三維制作人員使用三維仿真軟件進行人工交互式高精度三維建模[5]。最后利用外業采集的數字圖像，進行三維紋理映射。本文采用Rigel配套的RiSCAN和Geomagic對點云進行內業處理，將成果數據導入到3Dmax進行三維建模和紋理映射，還包括對植被、道路、附屬設施進行建模，最后將這些三維模型與生成的微地形集成到三維規劃竣工核實平臺，系統集成效果如圖6。

圖6 集成的三維規劃竣工核實平臺

4 建設規劃竣工核實應用

(1)規劃與竣工方案對比:包括對規劃和竣工后的模型進行分屏對比分析、竣工后模型與工程總平面圖疊加展示以及規劃和竣工后三維模型的疊加分析。從而判斷總平面圖上建筑是否全部完成，是否存在多建或少建；是否存在移位。圖7為規劃和竣工后三維模型的疊加分析，其中藍色區域代表竣工建筑物部分超出規劃范圍，紅色區域代表竣工建筑物部分未達到規劃尺寸。通過三維展現的方式能夠直觀的對竣工后建筑進行審核。

圖7 疊加分析

(2)±0層標高分析:根據給定值，搜索竣工后超限±0層標高，并定位到建筑物模型。圖8為系統中包含±0層標高分析的報表截圖。

圖8 建筑工程竣工比較分析表

(3)角點坐標分析:根據搜索竣工后角點坐標是否在允許誤差范圍內，并定位到角點。該功能能夠準確反映竣工后建筑物角點與規劃圖中的偏移量和偏移方向，圖9展現了該功能。

(4)建筑面積分析:按棟分類統計建筑面積，給出總建筑面積。對照竣工測量報告和建設工程規劃許可證和設計條件，判斷總建筑面積是否超規劃許可證面積和容積率；對照審批的施工圖和三維規劃竣工報表中的面積進一步核實每棟、每層建筑面積存在的差異。圖10為三維規劃竣工系統建筑工程建筑面積匯總報表。

圖9 角點坐標分析

圖10 建筑面積匯總表

(5)控高分析:設置建筑控制高度，超過設定控制面部分即為超高，并直觀的展示超高部分，核實每棟建筑層數和高度。圖11反映高程為480 m的控高分析效果圖。系統中超過藍色控制面部分即為超高。

(6)立面圖:畫一條兩點線，沿該線方向生成左側建筑物立面圖。真實還原竣工核實，現場核實建筑外立面是否與規劃相符。現場對照外立面的色彩、材質等是否與許可或外立面審查意見相符。

圖11 控高分析

5 結 論

地面三維激光掃描技術能夠快速獲取高密度高精度的目標空間信息，具有掃描速度快、數據信息量大、精度高等特點，完全能夠滿足建設工程規劃竣工核實的應用需求。采用地面三維激光掃描技術來輔助規劃竣工核實，實現了建筑規劃管理的精細化和科學性，并突破了規劃竣工核實對傳統1∶500地形圖測量成果的依賴，有利于建筑規劃管理。本文重點研究了基于點云的微地形提取流程和規劃竣工核實的主體建筑物立面輪廓特征線提取技術，有效利用了地面三維激光掃描高精度的特點，并在建筑物特征提取方面取得了有價值的研究成果。同時地面三維激光掃描技術的應用也存在不足:如數據采集過程中植被密集等問題；掃描目標建筑物頂部細節不夠豐富；點云數據處理量大和數據處理效率不夠高。相信隨著技術的發展，地面三維激光技術將會更加有效的服務于建設工程的規劃竣工核實。

[1] 宗慶，楊留方.城市規劃核實測繪的新方法[J].城市勘測，2010(01)：129-131.

[2] 黃承亮，向娟.三維激光掃描技術應用于建筑物建模的測量方法研究[J].城市勘測，2011(01)：87-90.

[3] 鄭德華.ICP算法及其在建筑物掃描點云數據配置中的應用[J].測繪科學，2007(02)：31-32.

[4] 楊洋，馬一薇，楊靖宇.基于車載激光掃描數據的窗戶提取與重建技術[J].海洋測繪，2010(03)：48-51.

[5] 梁欣廉，張繼賢，李海濤.基于機載激光雷達數據的簡單規則建筑物模型重建[J].中國圖象圖形學報，2007 (04)：641-647.

The Research on Terrestrial 3D Laser Scanning in the 3D Verification of Comp leted Planning

Hu Zhangjie，Xue Mei
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020)

This paper introduces a terrestrial 3D laser scanning technology to aid in the verification of completed building planning.Research the data processing technology of indoor work，described in detail the technical solutions of the three-dimensional tiny terrain reconstruction and building outline extraction.And use point cloud data to extract relevant features，take a method of interactive modeling for the 3D building structures modeling.Finally，integrate the results of terrestrial 3D scanning to the three-dimensional verification of completed building planning application.

terrestrial3D laser scanning；verification of completed building planning；tiny terrain；feature extraction；interactivemodeling

1672-8262(2013)01-15-06

：P232

：A

2012—06—12

胡章杰(1983—)，男，工程師，主要從事3D GIS的開發研究工作。