三維激光掃描在建筑規劃竣工測繪中的應用研究

史秀保，汪帆，葛紀坤

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

三維激光掃描技術具有高效率、高精度、非接觸主動測量等獨特優勢，有效避免了傳統作業方式外業勞動強度大、時間長、重復測量、工作效率低等弊端［1］。目前該技術運用到建筑規劃竣工測繪中主要存在以下難點:①外業作業時儀器的配備和組裝困難，不方便操作;②缺少相應軟件利用點云數據制作二維平面圖［2］。

2 建筑規劃竣工測量技術指標

2.1 測量精度要求

平面精度:根據寧波市建筑規劃竣工測繪相關標準規范要求，按地物特征點數學精度要求將地物分為一類、二類和三類，各精度級別的中誤差及說明如表1所示:

地物類別及精度 表1

高程精度:房屋高度的精度不低于 5 cm，地表高程注記點中誤差不大于±15 cm。

2.2 測繪成果

寧波市建筑規劃竣工成果包括以下內容:

(1)1∶500竣工地形圖;

(2)竣工測量規劃復核圖;

(3)竣工測繪總平面圖;

(4)1∶500套紅線地形圖;

(5)三維模型數據;

(6)竣工測量報告。

本文只針對利用三維激光掃描技術采用靜態掃描方法制作建筑竣工測繪中有關二維圖件的過程、方法進行研究和試驗。

3 關鍵技術研究

3.1 儀器及軟件

項目組使用的激光掃描儀為高精度激光掃描儀RIEGL VZ－400。激光掃描儀的掃描距離一般為 30 m～160 m，掃描范圍為100°×360°(垂直×水平)。

點云處理軟件為武漢大學測繪學院與寧波市測繪設計研究院聯合研發的海量級城市三維激光點云信息綜合處理平臺VR_CityScene。該軟件采用基于內容的點云自適應簡化算法，建立了點云多分辨率數據結構和基于外存的點云存取機制，并結合GPU硬件加速技術實現海量點云的實時渲染和高效的索引機構，設計開發了點云管理和搜索引擎;解決了海量點云的自適應抽稀、高精度自動配準、三維精細建模等關鍵難題，建立基于點云模型的測圖要素智能化提取和三維空間量測，并實現了與我國常用測圖軟件的無縫集成。

3.2 作業流程設計

根據三維激光掃描技術的特點和寧波市建筑規劃竣工測量的要求，制定作業流程如圖1所示［3］:

3.3 三維激光掃描方案

根據測區的地形特點和已有控制點分布情況，選取合適的掃描方案。掃描方案根據內業點云配準方法不同可分為以下3種:

(1)坐標系掃描法。掃描儀與靶標均架設在已知控制點上，內業利用已知數據進行點云絕對定位定向［5］。

圖1 作業流程

(2)碎部控制掃描法。掃描儀無須架設在已知控制點上，外業通過常規測量方法獲取點云中一定數量的明顯特征點三維坐標，內業利用各站之間同名碎部控制點進行配準和定向。

(3)靶標配準法。掃描儀無須架設在已知控制點上，外業通過相鄰兩站之間設置的4個或以上靶標確定相鄰兩站之間相對位置關系，同時通過常規測量方法獲取少量碎部控制點，內業通過同名靶標球進行相鄰站點云的配準，最后通過碎部控制點完成整體點云的絕對定向。

根據測區內衛星信號的強弱，測區附近已有控制點情況及測區范圍大小，制定出外業作業時間最短、點云數據最全面及內業操作最簡單的作業方案。

3.4 掃描儀器配備及組裝

三維激光掃描外業掃描儀器及設備包括:三維激光掃描儀、發電機、數碼相機、筆記本電腦、靶標球及三角對中桿、三腳架、數據通信線和電線等。為方便外業儀器的架設和轉站，項目組采用自主設計和生產的推車進行組裝和外業作業，外業推車如圖2所示。

圖2 外業推車

3.5 數據處理及成果制作

(1)初步點云數據處理

利用RIEGL VZ－400自帶的商業軟件RiscanPro對點云數據進行配準后，為滿足二維成圖的要求，需要對點云數據進行合并、抽稀處理［4］。合并、抽稀軟件為武漢大學測繪學院與寧波市測繪設計研究院聯合研發的Save MM SPCData，如圖3所示。

圖3 點云抽稀

(2)二維成圖方法

利用VR_CityScene軟件可以在點云數據上直接描繪出建筑和地形的輪廓線并實時或手工導入CAD軟件中。針對不同形狀、特性的成圖對象可以采用以下成圖方法:

①點云頂視圖上直接描繪，此方法適用于對于外輪廓規則的建筑，有取點和描線兩種方法，如圖4～圖6所示。

圖4 頂視圖描線法(綠色線條為所描線段)

圖5 頂視圖取點法(綠色點為所取點位)

圖6 導入CAD

②切片繪制:此方法適用于對于建筑物層次復雜的建筑．對于建筑物層次比較復雜的建筑，無法直接在頂視圖中判定建筑物各層次輪廓線，因此可利用切片的方法截取建筑特定層次獲取該建筑特定層次的橫截面，然后描繪出該層次的輪廓線，如圖7所示。

圖7 切片效果截圖

③地形繪制方法。對于點云過稀無法判斷道路邊線、攝像頭和路燈無法判斷的情況，可根據其高程特性選擇狹窄的高程空間對其進行高程偽彩色渲染，從而使繪制對象更容易判讀，如圖8、圖9所示。

圖8 默認顏色下路燈的判讀情況

圖9 高程偽彩色下路燈的判讀情況

(3)成果資料制作

根據所繪制二維測區地形圖，結合建筑規劃許可證附圖及有關規劃審批材料，制作竣工測量規劃復核圖、竣工測繪總平面圖、1∶500套紅線地形圖等。

4 生產試驗

4.1 項目概況

本次試驗選擇寧波市銀潤豪園項目作為生產試驗對象。該項目位于寧波市海曙區通途路以北、麗園北路以西。總占地面積約 62 000 m2，如圖10所示。

圖10 測區地塊整體空間布局

4.2 項目實施

本次項目采用坐標系掃描法進行現場點云數據獲取。測區共布置6個圖根控制點，圖根點及室內地坪高程利用采用圖根水準方法施測。利用VR_CityScene軟件在所獲取的點云數據中繪制測繪二維平面圖，在此基礎上結合建筑規劃許可證附圖及有關規劃審批材料，制作竣工測量規劃復核圖、竣工測繪總平面圖、1∶500套紅線地形圖等。

4.3 成果精度檢測

經浙江省測繪質量監督檢驗站檢驗后，本次試驗精度統計如表2、表3所示:

地物點平面誤差分布狀況統計表 表2

以上檢測數據說明，利用三維激光掃描技術技術完全可以運用于建筑竣工測量，精度符合浙江省寧波市有關建筑竣工測繪規定。通過工作量統計發現，利用三維激光掃描技術比常規方法減少了35%的外業工作量，且降低了外業工作強度，實現了將部分外業工作轉化為內業工作的目的［6，7］。

4.4 誤差分析

三維激光掃描所獲取點云主要有以下3個精度影響因素:圖根控制點精度、三維激光的入射角以及測量距離。由于圖根控制點的布設方法和精度與常規作業方法相同，故本文僅對三維激光的入射角以及測量距離對成果精度的影響作以下分析，如表4、表5所示:

入射角對精度影響統計表 表4

測量距離對精度影響統計表 表5

以上研究分析表明，精度較差的點云主要分布于與三維激光掃描儀架站點角度較大且距離較遠的區域，而與三維激光掃描儀架站點角度較小且距離較近的區域精度較高。因此，為保證獲取高精度點云，應在圖根控制點選布時考慮測量對象與控制點的角度與距離因素。

5 結語

三維激光掃描技術的應用越來越廣泛，已經由研究、實驗階段走向生產應用階段，對三維激光掃描技術的運用需求也越來越高。本文正是在高效率、高精度的建筑竣工測繪的需求的驅動下，對三維激光掃描技術在建筑竣工測量中的運用進行了研究，并在研發出了一系列生產軟件的前提下提出了一套切實可行的操作方案和流程，取得了滿意的應用研究成果［8］。

但是，靜態三維激光掃描技術在實際測量過程中仍存在搬站困難、需要提前布置控制點等問題。我們將在現有成果技術基礎上，利用車載三維激光掃描技術解決建筑規劃竣工測量中二、三類地物測量精度問題進行持續研究。車載三維激光掃描技術測量快捷，無需提前布置控制點，可更大幅降低外業作業時間和勞動強度，提高效率，對于三維激光掃描技術的運用和推廣和盡快實現“辦公室測繪”有著積極重要的意義。

［1］李德仁，胡慶武，郭晟等．移動道路測量系統及其在科技奧運中的應用［J］．科學通報，2009:4～5．

［2］梅文勝，周燕芳，周俊．基于地面三維激光掃描的精細地形測繪［J］．測繪通報，2010:19～20．

［3］陳為民．基于全景成像與激光掃描的城市快速三維測量與重建技術研究［D］．武漢:武漢大學，2012:7～8．

［4］臧克．基于Riegl三維激光掃描儀掃描數據的初步研究［J］．首都師范大學學報．自然科學版，2007:6～7．

［5］張宏，胡明．三維激光掃描儀在地形測量中的應用［J］．企業技術開發，2007:11～12．

［6］王星杰．三維激光掃描儀在道路竣工測量中的應用［J］．北京測繪，2012(4):21～25．

［7］徐進軍，余明輝，鄭炎兵．地面三維激光掃描儀應用綜述［J］．工程勘察，2008(12):31～33．

［8］ 李杰．建筑物竣工測量數據處理及質量控制［J］．測繪通報，2004(7):26～28．