利用三維激光掃描技術進行異型建筑物竣工測量

謝宏全，張 馳，尹吉祥，王 超，劉新霞

利用三維激光掃描技術進行異型建筑物竣工測量

謝宏全1，張 馳1，尹吉祥2，王 超2，劉新霞3

( 1．淮海工學院測繪工程學院，江蘇連云港222005; 2．連云港市勘察測繪院有限公司，江蘇連云港222000; 3．華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊050020)

一、引言

對于城市異型建筑的竣工測量，采用常規方法外業工作量較大，精度難以達到要求。隨著地面三維激光掃描儀的應用，一些學者進行了相關研究，主要成果有:邢漢發等［1］證明了三維激光掃描技術在結構復雜建筑物測量中具有較好的應用前景;張平等［2］通過點云數據建立三維模型，提取并計算了建筑物建筑面積;胡章杰等［3］證明了地面三維激光掃描技術完全能夠滿足建設工程規劃竣工核實的應用需求。本文采用徠卡C10三維激光掃描儀，以連云港市金海置業廣場為研究對象，詳細介紹建筑物建筑面積獲取的內外業技術方法，并與常規竣工測量結果進行了對比分析。

二、工程概況與點云數據獲取

1．工程概況

金海置業廣場位于連云港市朝陽東路和運河路交叉口的西南角，是市區內具有異型建筑代表性的建筑物之一，底部至頂部面積在減小，形狀也在變化。它由A座、B座及AB座連接部分構成。A座共27層，由13種不同形狀的樓層構成; B座共13層，由6種不同形狀的樓層構成; AB座連接部分共3層，由3種不同形狀的樓層構成。

2．掃描技術方案設計

本研究采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點云數據。為了達到掃描的目的與滿足精度要求，結合金海置業廣場周邊視野環境和目標建筑物本身復雜結構的特點，采用全站儀導線方式對目標建筑物進行多站掃描。掃描線路布設成閉合導線，導線點位分布在建筑物的周邊，其中A座和B座建筑頂部構造比較復雜，因此在建筑物的4個拐角處選擇合適的角度設站。閉合導線的布設略圖如圖1所示。

圖1 閉合導線的布設略圖

3．控制點布設

為了與驗收單位的數據作對比，在相同坐標系下獲取掃描數據。采用南方公司的靈銳S82T接收機，在JSCORS系統支持下，采用RTK方式對B座建筑物東側布設的控制點坐標進行了測量，A點平面坐標為( 45 674．293 m，16 767．051 m)，B點平面坐標為( 45 623．468 m，16 763．060 m)。

4．點云數據獲取

依據導線設計略圖，結合現場實際情況，在地面上做臨時導線控制點標志。從A點開始架設掃描儀，按照導線方式逐站進行掃描，具體方法見文獻［4—6］。在掃描20層以下建筑物時，選擇高等分辨率;掃描20層以上建筑物時，選擇超高分辨率。

三、建筑物面積提取

1．點云數據預處理

本次使用儀器配套的隨機數據處理軟件Cyclone 8．0．3。點云數據處理主要包括點云噪聲處理和點云統一化處理。預處理后的點云如圖2所示。

圖2 去除噪聲后的點云數據

2．目標建筑橫切面提取

由于建筑物某些層的面積形狀是相同的，因此只提取有代表性的建筑層計算面積。下面以A座第18層為例，說明橫切面提取及面積計算的方法。

1)提取層模型。在Cyclone軟件中用Rectangle Fence Mode命令選取A座第18層建筑物的點云數據，通過Copy Fenced to New ModelSpace功能復制模型到新的模型空間。選取菜單欄中的Top View，從選取層的頂視圖可看到此層的粗略輪廓線。

2)將特征層導入CAD。預先安裝CloudWorx插件，在CAD軟件中會在菜單欄自動出現Cloud-Worx選項。利用CloudWorx插件可將Cyclone軟件中的數據模型導入CAD中。在CAD菜單的三維視圖中選擇俯視，就可以出現層模型的輪廓線。

3)在CAD中繪制輪廓線。由于目標建筑物很高且樓層越往上拐角越多，因此從地面使用仰角掃描樓層的中部和頂部時，必然會出現一些拐角被遮擋因而缺少點云數據的現象。為提高提取建筑物面積的精度，本研究采用構造線的方法，彌補層模型一些規則的地方，如直角處與對稱處。導入CAD中的建筑物輪廓線有缺少數據的部分，根據對稱性原則，可以通過構造線方法，較好地還原建筑層的形狀和特征(如圖3所示)。用構造線對粗略輪廓線的所有邊都進行勾畫，可以得到層模型比較精細的輪廓線。再用多線段對輪廓線進行繪制(如圖4所示)，可以得到最終的建筑物精細輪廓線。

圖3 還原建筑層的形狀和特征

圖4 用多線段對輪廓線進行繪制

3．建筑面積量測

利用CAD面積測量功能，可測得已繪制圖形的面積。常規測量方法得到的A座18層橫截面圖及其面積如圖5所示。

圖5 常規測量方法得到的A座18層橫截面積

四、結果分析

1．點位精度對比分析

為了與常規竣工測量觀測數據對比，在建筑物底座隨機選擇了20個角點坐標進行比較，數據計算見表1。

表1 常規測量法與激光掃描法點位坐標對比 m

由表1分析得出，激光掃描法測量坐標精度中誤差為4．2 cm，滿足了驗收單位對竣工測量主要地物點和次要地物點點位中誤差分別不應大于5 cm 和7 cm的精度要求。

2．B座建筑面積對比分析

依據橫切面提取建筑物不同樓層面積方法，獲取B座建筑有代表性樓層的面積，與常規測量方法的面積對比見表2。

表2 B座建筑面積對比

由表2分析得出，激光掃描法測量獲取的建筑物面積與常規測量方法的面積較差較小，面積較差絕對值平均值為0．987 m2，面積較差占總面積百分比遠遠滿足了規范中對竣工測量面積誤差小于1%的要求。

3．A座與B座連接部分建筑面積對比分析

依據橫切面提取建筑物不同樓層面積方法，獲取A座與B座連接部分有代表性樓層的建筑面積，與常規測量方法的面積對比見表3。

表3 A座B座連接部分建筑面積對比

由表3分析可知，激光掃描法測量獲取的AB座連接部分建筑物面積與常規測量方法的面積較差較小，面積較差絕對值平均值為6．296 3 m2，遠遠滿足規范中對竣工測量面積誤差小于1%的要求。

4．A座建筑面積對比分析

依據橫切面提取建筑物不同樓層面積方法，獲取A座有代表性樓層的建筑面積，與常規測量方法的面積對比見表4。

表4 A座建筑面積對比

由表4分析可知，激光掃描法測量獲取的第4層至第19層面積與實際計算面積較差較小，遠遠滿足規范中對竣工測量面積誤差小于1%的要求。但是第20層至第27層面積與實際計算面積較差較大，不能滿足規范中對竣工測量面積誤差小于1%的要求。出現這種結果的原因可能有兩種:一種是A座建筑物20層以上的部分大多是玻璃幕墻，這種材質影響了激光點獲取數據的準確性;另一種是由于建筑物周邊地形的限制，儀器至建筑物的距離比較近，掃描時仰角較大，對獲取的點云數據質量有一定的影響。

五、結束語

通過試驗研究證明，地面三維激光掃描技術應用于異型建筑物竣工測量中是可行的，體現出了它的優越性。但是對于反射率較低的建筑材料(如玻璃幕墻)，點云數據質量還不能滿足提取建筑面積的規范要求，有待于進一步研究。由于儀器價格、技術規范等限制，此技術方法的廣泛應用還需要依情況而定。

［1］ 邢漢發，高志國，呂磊．三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的應用［J］．工程勘察，2014( 5) : 52-57．

［2］ 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．

［3］ 張平，黃承亮，朱清海，等．基于三維激光掃描技術的異型建筑物建筑面積竣工測量［J］．測繪與空間地理信息，2014，37( 5) : 222-224．

［4］ 張志娟，田繼成，葛魯勇，等．全站儀模式獲取三維激光掃描點云數據方法研究［J］．測繪通報，2014( 9) : 87-89．

［5］ 戚萬權．徠卡C10導線測量方法在大型掃描項目中的應用［J］．測繪通報，2013( 6) : 115-116．

［6］ 謝宏全，侯坤．地面三維激光掃描技術與工程應用［M］．武漢:武漢大學出版社，2013．

四川建筑職業技術學院測繪文化建設彰顯專業特色

［本刊訊］2014年7月，四川建筑職業技術學院“工程測量技術”專業入選四川省高職院校省級重點專業建設項目(建設周期2014—2016)。該項目建設中特別注重文化建設，突出文化育人。通過“測繪知識搶答賽”“測繪科技創新大賽”和“測量技能大賽”3大品牌文化活動，激發學生專業學習興趣，通過博大精深的測繪文化吸引人、熏陶人、感染人、教育人。2014年12月成功舉辦“科力達杯”第一屆測繪知識搶答賽。測繪學生參加第五屆、第六屆“北斗杯”全國青少年科技創新大賽獲得一等獎1項、三等獎項、優秀獎4項。成功舉辦“中海達杯”( 2014年)、“中翰杯”( 2015年)校級測量技能大賽; 2014、2015年成功舉辦“中緯杯”四川省高職院校測繪技能大賽，“工程測量技術”專業學生囊括4個一等獎;在全國職業院校技能大賽高職組“科力達杯”測繪賽項中取得優異成績，2014年獲得“二等水準測量”“工程施工放樣”和“1∶500數字測圖”3個分賽項二等獎，2015年獲得“二等水準測量”一等獎、“一級導線測量”二等獎和“1∶500數字測圖”三等獎。

(本刊編輯部)

Method of Completion Measurement of Shaped Building Based on 3D Laser Scanning Technology

XIE Hongquan，ZHANG Chi，YIN Jixiang，WANG Chao，LIU Xinxia

采用常規方法對異形建筑物進行竣工測量的工作效率和精度較低。以連云港市金海置業廣場為研究對象，簡要介紹了激光點云數據獲取的野外作業方法。在CAD和CloudWorx插件環境下，詳細闡述了橫切面方法獲取建筑物形狀方法，最后提取了具有代表性的建筑面積，并與驗收數據進行了對比分析。研究結果表明，基于激光點云數據對異形建筑竣工測量的技術方法是可行的。關鍵詞:異形建筑物;竣工測量;點云數據;建筑面積

謝宏全( 1964—)，男，博士，教授，主要從事地面三維激光掃描技術與應用研究。E-mail: ts_cheng_95@ 126．com

P258

B

0494-0911( 2015) 11-0072-04

謝宏全，張馳，尹吉祥，等．利用三維激光掃描技術進行異型建筑物竣工測量［J］．測繪通報，2015( 11) : 72-75．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0350

2015-03-11;

2015-08-31

江蘇省海洋科學與技術優勢學科資助