基于地面LiDAR的三維竣工測量方法研究

高志國，李長輝

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

1 引言

廣州新白云國際機場位于廣州市北部，白云區人和鎮和花都區花東鎮交界處，一期總投資逾200億人民幣，二期投資約75億人民幣，是我國首個按國際樞紐機場標準進行規劃設計的超大型樞紐機場，也是目前國內規模最大、功能最先進、現代化程度最高的國際機場，是全國三大樞紐機場之一。機場占地面積為15 km2，其中新機場一期航站樓(包括航站樓主樓、指揮塔部分、東一、東二指廊、西一、西二指廊及連接樓部分)面積有40萬m2，二期(包括航站樓附屬建筑物、東三、西三指廊及連接樓等)面積有28萬m2，總計建筑物驗收面積為68萬m2，如圖1所示。

圖1 廣州新白云國際機場航站樓設計效果圖

竣工測量是城市建設工程必不可缺的重要環節之一，其主要工作是準確測定竣工建筑物的形狀、平面位置、高度尺寸以及與周圍建筑物、規劃道路、用地紅線的定界關系，其目的是為了編制工程竣工圖表、決算，對實際完成的各項工程進行的一次全面量測工作［1］。它為建設工程規劃監督驗收提供準確的技術指標，為進一步提高規劃管理水平，增強城市規劃的科學性提供依據。三維竣工測量是在傳統竣工測量基礎之上，增加三維量測和模型制作，實現三維竣工圖的同步建立，以達到三維城市模型 (Three－Dimension City Model，3DCM)實時、準確和動態更新的目的［1］。

地面LiDAR技術是一種快速獲取空間三維信息的新技術手段，使得空間數據的獲取從傳統的單點數據采集向連續的密集型自動數據獲取技術轉變［2］，其在竣工測量中主要技術優勢表現為:①突破數據單點采集模式;②全方位、高精度、快速化、自動化、精細化測量;③成果效果真實、立體感強;④數據量大、產品豐富;⑤拓展竣工測量成果數據應用范圍等。為此，本文提出了基于地面Li-DAR的建筑物三維竣工測量新模式，并在廣州新白云國際機場航站樓三維竣工測量應用中取得了較好效果，為該技術在三維竣工測量領域的廣泛推廣應用打下基礎。

2 三維竣工測量技術方案

鑒于廣州新白云國際機場航站樓項目面積大，精度要求高，設計獨特，結構復雜，對于外業施測及成果圖制作，項目組都做出了精心策劃，綜合應用激光測距儀、全站儀、激光LiDAR等多種儀器設備對機場航站樓及附屬設施進行竣工測量。主要內容包括:平面控制測量、高程控制測量、標靶布測、外業掃描測量、核對竣工圖、內業數據處理、三維模型制作、建筑面積計算、平面位置關系圖繪制、立面圖繪制、竣工地形圖繪制、成果資料匯編等。

根據本項目技術設計書的要求，在測圖區域布設與機場控制網系統相一致的E級GPS控制網點10點，以機場首級C級控制點作為起算，保證和機場的E級施工控制網一致，E級控制網高程以機場周邊的基巖水準點為起算，聯測二等水準高程。數據處理及精度統計采用JAVAD隨機軟件Pinnacle分別對GPS網基線進行解算，將解算出來的基線用同濟大學GPS后處理軟件TGPPS for Windows進行GPS平差計算。

由于機場限制區域較多，傳統測量方法無法完成竣工數據采集，地面LiDAR的主動、非接觸測量的優勢有效解決了該技術問題。采用先進的VZ－400型激光掃描儀，測程在長距離模式下達到 600m，測距精度5mm/100m，數據采集通過無標靶定向模式和單站后視定向法相結合方法，在數據處理過程中通過相鄰測站公共區域同名特征點進行測站拼接，因此在實際作業過程中嚴格保證相鄰測站的重疊區域測量;單站后視定向是通過在圖根點上布設測站和標靶后視點，掃描過程中精確測定標靶中心在掃描坐標系和廣州坐標系下的坐標，為后續坐標轉換提供準確的參數。因此布設標靶，測定其坐標的過程中藥嚴格確保標靶位置固定不變，確保坐標轉換精度，技術流程如圖2所示。

圖2 地面LiDAR竣工測量技術流程

3 數據處理和成果分析

3.1 掃描數據預處理

由于原始點云數據存在大量噪聲，數據空洞等，造成數據質量差，不能滿足高精度測量的要求，因此在處理數據前必須先進行預處理，剔除噪聲數據，修補數據空洞。點云數據去噪、補洞后，即可進行數據配準作業。作業過程中對部分測站采用的控制點定向，因此直接采用控制點配準法進行配準，該方法自動匹配控制點無需人為手動配準，節約時間，配準精度高。部分區域無法測量控制點，均采用公共區域同名點配準法，需要在相鄰測站公共區域手動尋找至少4對同名點進行配準，在作業過程中要保證配準精度，時間成本增加。粗配結束后，采用ICP算法自動精配，提高配準精度。最后通過標靶坐標匹配將所有測站數據配準到控制網坐標系下。

3.2 特征提取及成果制作

航站樓及附屬設施是建筑結構復雜而且不規則的建筑實體，直接從點云數據中提取全部特征點、線比較困難，為了減少后續處理數據量，提高數據處理效率，需要從點云數據中提取部分特征數據，包括:建筑骨架線、建筑立面輪廓、建筑門、窗細節特征及分層切片等。制作相應的成果資料，構建建筑三維模型

(1)特征點、線及地形數據提取

對點云數據進行分層，通過設計合適的切割方向和切片厚度實現點云數據的層次劃分，提取出適合規劃建筑物面積計算的切片;切片法可以采用Riscan Pro或者采用廣州市城市規劃勘測設計研究院研發的Laserscanner軟件進行。

建筑骨架線及立面輪廓特征提取是整個三維模型重建精度指標的關鍵因素，建筑門、窗細節提取則是繪制立面圖的關鍵。圖3展示了特征提取的主要流程。

圖3 特征提取流程

激光點云中提取的地形數據是制作竣工測量地形圖及竣工平面位置關系圖的關鍵，首先根據地形精度要求對點云數據進行精簡，以提高數據處理的效率，然后根據具體投影高程面選擇無透視水平投影，提取地形特征，生成地形數據，根據地形精度要求判別數據精度。

(2)建筑面積計算

根據分層切片獲取的航站樓輪廓特征范圍線數據導入到廣州市基礎地理信息測繪信息化平臺軟件進行整理。在數據工程編輯狀態下繪制建筑物線劃圖，計算建筑物面積如圖4所示。

圖4 建筑物面積計算略圖

(3)建筑立面圖、平面圖及竣工地形圖制作

采用平面投影繪圖方式，通過自主研發的點云數據處理軟件的平面無透視投影方法，進行主平面投影，將投影數據輸出DXF格式導入廣州市基礎地理信息測繪信息化平臺軟件編輯平臺進行描繪建筑立面圖、制作平面圖位置關系圖及竣工地形圖，如圖5所示。

圖5 正射投影點云數據及描繪航站樓立面圖

(4)3D模型制作及紋理映射

廣州新白云國際機場航站樓建筑物屬于廣州市地標性建筑，建筑以鋼結構為主，建筑結構復雜。為更好比對建筑物報建與竣工后的相符性，根據提取的特征骨架線及輪廓特征信息建立高精度三維模型，結合外業采集的影像信息，進行三維紋理映射，如圖6所示。

圖6 航站樓三維模型

3.3 結果分析

為了檢校成果精度，以傳統測量方式采集點位、邊長、高程與本次成果進行比較，經實地對建筑物邊長分段及總長檢查，分段檢查最大較差為 2 cm，總長檢查最大較差為－6 cm。其精度高于技術設計要求。在內業數字化成圖過程中，基于廣州市規劃基礎信息化測繪平臺軟件的互通性，很好地完成了面積計算圖，平、立面關系圖及竣工地形圖的制作，作業數據完全利用外業測量成果，點位正確，數據精度無損。

4 結論及建議

廣州新白云國際機場旅客航站樓及附屬建筑竣工驗收測量，是廣州市城市規劃勘測設計研究院在建筑物規劃驗收測量項目上首次采用地面LiDAR技術的新嘗試、新探索，為該技術在竣工測量上應用的可行性進行了進一步的探索，同時也對廣州市城市規劃勘測設計研究院技術力量又有了新的提高，硬軟件的配合更加融洽，彌補了該院對于大型建筑驗收測量，特別是局域性高精度測量的不足。

通過本項目的實踐，采用先進的地面LiDAR測量技術對超大型、多功能、結構復雜、新穎、別致的建筑物的建筑竣工測量，有效利用了地面LiDAR技術速度快、自動化、精度高等特性，實現了對城市規劃管理的精細化。通過對成果數據精度分析，證明了該技術應用于竣工驗收測量的可行性。同時地面LiDAR技術也存在不足:如數據量大、處理效率不高等問題，將會是后期數據處理研究的重點。

［1］ 盧丹丹，吳熙，王厚之等.三維竣工測量的研究與應用［J］.城市勘測，2010(6):47～50.

［2］ 高志國.基于TerraScan軟件的點云數據濾波處理研究［J］.城市勘測，2013(3):66～69.

［3］ 高志國.地面三維激光掃描數據處理及建模研究［D］.西安:長安大學，2010.

［4］ 王峰，林鴻，李長輝.地面三維激光掃描技術在城市測繪中的應用［J］.測繪通報，2012(5):47～49.

［5］ 苗蘭芳.點模型的表面幾何建模和繪制［D］.杭州:浙江大學，2005.

［6］ 張啟福.地面三維激光掃描儀性能測試方法研究［D］.鄭州:解放軍信息工程大學，2012.

［7］ 高志國.海量點云數據濾波處理方法研究［J］.測繪工程，2013(1):35～38.

［8］ 王峰，陳煥然，程效軍.基于地面激光掃描儀的建筑數字化方法［J］.測繪通報，2011(6):39～42.

［9］ 胡章杰，薛梅.基于地面三維激光掃描的三維竣工規劃核實技術研究［J］.城市勘測，2013(1):15～20.