地面三維激光掃描在驗收測量中的應用分析

徐炳前

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

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地面三維激光掃描在驗收測量中的應用分析

徐炳前*

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

介紹了規劃驗收測量的主要內容和要求，研究了地面三維激光掃描技術應用于驗收測量的作業流程和數據處理中的主要技術，通過對實際項目的結果進行分析，表明三維激光掃描技術滿足規劃驗收測量的精度要求，對該技術的生產應用有一定的指導意義。

三維激光掃描技術；驗收測量；數據處理

1 引 言

三維激光掃描技術是一種現代化的測繪技術，不同于傳統的單點的測量模式，該技術獲取目標物的海量點云數據，并且具有掃描速度快、遙測、點位和精度分布均勻等特點，特別是近些年數字城市和三維建模等需求使得該技術日益得到關注[1]。本文采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統，以實際生產項目為研究對象，介紹了該系統在建設工程驗收測量中的技術路線，分析激光掃描技術在驗收測量應用的可行性。

2 規劃驗收測量主要內容與技術指標

2.1 規劃驗收測量的條件與成果

在廣州市施建的建設工程項目，竣工后應進行規劃驗收測量。根據規定，實施驗收測量的現場應符合下列條件：完成土建工程和外墻裝飾；用地紅線或建筑退讓間距內的綠化、道路等建設完畢；施工用房、施工排柵已拆除，上述條件保證了利用地面三維激光掃描時有良好作業現場，減少了噪聲數據。

規劃驗收測量的主要內容[2]有：

(1)測繪建設工程范圍內的1∶500數字化地形圖。

(2)現場核驗建設單位提供的建設工程竣工圖與現狀的一致性。

(3)建筑基底、容積率、總建筑面積計算，豎向標高和高度測量。

(4)繪制建筑物平面位置關系圖。

(5)繪制有代表性的建筑物立面圖。

2.2 規劃驗收測量精度要求

根據《廣州市城鄉規劃建設工程測量技術規程》要求，建筑物尺寸測量應采用經鑒定合格的鋼尺直接丈量，邊長測量的精度要求如下：

Ms≤±0.0005L(L>20 m)

Ms≤±0.01 (L≤20 m)

式中Ms和L的單位為m。

高度測量的中誤差≤±5 cm。驗收測量應實地測繪，主要地物點相對鄰近圖根點的點位中誤差不應大于50 mm。

3 作業流程與工程應用

三維激光掃描應用于規劃驗收測量的主要分為三個步驟[3]，即數據采集、掃描數據處理和規劃驗收測量內業整理，制訂作業流程如圖1所示：

本文將該技術應用于廣東省文藝職業技術學院綜合樓的驗收測量，該建筑物體采用多弧段的玻璃幕墻，并采用具有嶺南特色的檐口設計，非規則結構。為了驗證掃描結果，本項目同時也采用傳統的驗收測量方法實測。

3.1 掃描儀外業測量

本項目采用RIEGL VZ-1000掃描儀，最小角度分辨率達1.8″，10 m距離內點密度可達 0.1 mm，同時可搭載數組相機，獲取紋理信息[4]。驗收測量需要給出建筑物的空間坐標，采用GZCORS技術進行三級點的控制測量，利用全站儀進行圖根導線測量，在建筑物附近布設若干圖根點。在控制點上設站進行單站的點云掃描，不同測站的數據拼接利用標靶的掃描數據完成[5]。儀器掃描時，最好是準備草圖，將掃描測站與控制點號相對應，對于未在控制點上擺站的掃描設站，應在草圖上予以標示，方便后期配準和錄入控制點信息。

3.2 掃描儀內業數據處理

RIEGL系列配備有自主的數據處理軟件RiSCAN PRO，該軟件基本能滿足點云數據處理和繪制基本矢量線的工作。三維激光掃描儀將掃描的數據成果以站名分文件保存，在數據進行處理前，首先應進行數據的拼接，然后刪除不相關的數據。

(1)點云數據的配準

點云數據的配準，是指將多次多個測站的數據進行融合，使其成為一個完整的項目數據。數據導入后，如設站時未輸入控制點，應先輸入控制點坐標。在控制點錄入后，應對擬配準的數據進行預處理，刪除測量范圍外的點云等，生成待配準的點云。配準如在非控制點站間，導入后相差有可能較大，即要進行同名點匹配。一般精配后應保證點云匹配精度在 3 mm以內，同名點量在1萬點以上為佳，分布應為正態分布[6]。將本次實測數據進行精配準，并對點云匹配精度進行統計。

(2)點云去噪

點云數據的去噪可在點云配準前，也可在點云配準后。因驗收測量需要繪制現狀地形圖，故在點云配準時應保留了周邊地形的點云，導致數據量大。為了便于操作，可對點云數據進行備份，驗收建筑物和地形的點云數據分開處理，同時可選擇加載相片存儲的真彩色信息輔助繪圖。

(3)點云數據的后處理及利用

點云數據配準和去噪完成后，即可應用于繪制驗收測量所需要的各類圖件。繪圖軟件采用清華山維公司的EPS2008地理信息工作站[7]。繪圖過程有三種方式：①直接取線法，在RISCAN中畫線，然后導出DXF文件轉到EPS中繪圖；②切片法，將點云切割出來后，在EPS中繪圖；③投影法，適用于繪制規劃驗收測量中的立面圖。RiSCAN PRO軟件支持在點云數據上提取點和畫線。該方法因比較直觀，適合繪制地形圖；RiSCAN PRO軟件可以提取一定厚度的點云，導入EPS中繪圖，一定厚度的點云類似于在一定高度上密集連續的碎部點，連接起來，根據取舍原則即可獲得每一層的外圍線，該方法適用于繪制擬驗收建筑的分層平面圖以及精細繪圖等。在建筑物的規劃驗收測量中，建筑物的立面也是需要把關的一個方面。對點云數據進行立面投影，并采用三維量測模式進行量測，輸出繪圖交換dxf文件，同樣將其導入EPS軟件中，并根據所獲得的高清晰圖片，進行立面圖繪制，可清晰了解其立面圖的實際尺寸，圖2、圖3為綜合樓點云示意圖和立面圖。

圖3 根據點云數據繪制的立面圖

4 驗收測量結果分析

本次采用全站儀和三維激光掃描儀同時測量，將全站儀的數據與三維激光掃描獲得的數據進行對比分析，由于建筑物的空間連續性，剔除明顯的粗差點后得到的地物點坐標精度統計如下表所示：

三維激光掃描地物點坐標精度統計表 表1

所有的點位偏差平均值為 4.1 cm，最大值為 8.2 cm，最小值為 0.9 cm，從上述數據可以看出，三維激光掃描技術可以應用于建筑物竣工測量中，測點精度符合測繪規定。在建筑物首層，用鋼尺量取了21段邊長，同時量取掃描數據和全站儀測點的長度數據，以鋼尺量邊長度為參考，得到的長度較差結果如圖4所示：

圖4 三維激光掃描和全站儀邊長較差

結果表明，三維激光掃描成果和鋼尺量邊數據的較差不超過 3 cm，全站儀邊長出現了一個粗差點，分析測角點時瞄點出現偏差，三維激光掃描儀測量的成果，總體上與全站儀測量質量相當，部分區域甚至優于全站儀測量成果，故三維激光掃描儀應用于規劃驗收測量的邊長精度符合要求，可予以應用。

面積核算，是驗收測量的重要內容之一，作為規劃審批參考數據，對照《建設工程規劃許可證》的要求和設計條件，判斷建筑物是否按照設計和規定施工。應用切片法得到每一層的水平點云數據，提取外部特征線，輸出至EPS軟件從而計算建筑面積，將傳統的全站儀配合鋼尺量邊模式得到的面積成果與三維激光成果進行對比，結果如下：

三維激光掃描面積匯總對比 表2

由上表的結果可見，三維激光掃描儀測量的成果與全站儀計算面積較差較小，總體上與全站儀測量質量相當，滿足了規劃驗收測量面積誤差小于1%的要求。5 結 論

地面三維激光掃描獲取的數據量大，掃描速度快，通過實際工程應用，本文制訂了一套可行的操作流程和方案，結果表明該技術滿足建設工程規劃驗收測量的應用需求，在部分弧段、結構復雜的建筑物測量中具有更大的優勢。同時點云數據不僅能夠繪制竣工圖、立面圖，還可更具需要制作三維模型，結合高分辨率的數據相機還可比較逼真地還原建筑物紋理，豐富了測量成果。對于作業員而言，內業處理仍有較大的工作量，在數據去噪、切片、特征線提取方面自動化程度不高，也是生產單位今后需要進一步加強和改進的重點方向。

[1] 王玉鵬，盧小平，葛曉天等. 地面三維激光掃描點位精度評定[J]. 測繪通報，2011(4)：10～13.

[2] 廖麗瓊，羅德安. 地面激光雷達的數據處理及其精度分析[J]. 四川測繪，2004，27(4)：153～155.

[3] 郭興，潘純建，楊彥梅等. Riegl VZ-1000三維激光掃描測量系統在大型露天礦山土石方測量中的應用[J]. 地礦測繪，2014(3)：14～16.

[4] 歐斌.地面三維激光掃描技術外業數據采集方法研究[J]. 測繪與空間地理信息，2014(1)：106～108.[5] 蘇曉蓓，郝剛. 地面三維激光掃描標靶中心識別算法研究[J]. 城市勘測，2010(3)：68～70.

[6] 朱清海，黃承亮，李凱. 基于EPS 2008及地面三維激光掃描點云數據進行斷面線提取[J]. 城市勘測，2013(2)：89～91.

Analysis and Application of Terrestrial 3D Laser Scanning in the Acceptance Measurement

Xu Bingqian

(Guangzhou Urban Planning&Design Suevey Research Institute，Guangzhou 510060，China)

This paper introduced the main contents and requirements of planning accptance measurement，studied the work flow and data processing of ground 3D laser scanning technology in accptance measurement.Through the analysis results of actual project，it shows that the 3D laser scanning technology meets the precision of planning accptance measurement and has a certain guiding significance to the application of the technique.

3D laser scanning technique；accptance measurement；data processing

1672-8262(2016)05-120-04

P258，P234.4

B

2016—07—07

徐炳前(1973—)，男，工程師，主要從事測量項目管理和檢查工作。