基于三維激光的工程測量技術研究

梁榮祥

摘 要：三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，是一種新型全自動高精度立體掃描技術，可以深入到任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境中進行掃描操作，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)。本文結合具體案例探討了三維激光技術應用于建筑竣工測量的詳細技術流程。

關鍵詞：三維激光 測量 城市 建筑竣工測量

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0075-02

竣工測量（規(guī)劃驗收）是城市建筑工程的一個重要環(huán)節(jié)，其是在建筑工程竣工后，對建筑物實體進行的全方位的測量工作。內容包括建筑物的層高和總樓高、測量并標注建筑物與其所在地塊的用地紅線坐標、建筑物周邊的規(guī)劃道路以及四周關系。與傳統(tǒng)測量方法相比，地面三維激光掃描技術采集數(shù)據(jù)不需要接觸目標，能快速、準確地獲取目標體數(shù)據(jù)，具有密度高、精度高等特點，適合大面積或者表面復雜的物體測量及其物體局部細節(jié)測量，計算目標表面、體積、斷面、截面、等值線等，為測繪人員突破傳統(tǒng)測量技術 提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取手段。目前，城市竣工測量主要為二維平面測量，這些數(shù)據(jù)為規(guī)劃管理提供了基礎數(shù)據(jù)。然而隨著城市化進程的進一步加速，異形建筑越來越多，城市規(guī)劃管理越來越復雜，二維竣工測量圖不能提供建筑物風格、色調等要素，已經(jīng)不能滿足規(guī)劃管理的要求。目前地面激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的應用實例較少，本文設計了三維竣工測量技術方案，探索地面激光掃描儀測量技術在竣工測量領域的可行性。

1 工程概況及作業(yè)流程

1.1 工程概況

某建筑工程為集商業(yè)寫字樓、五星級酒店等于一體的現(xiàn)代商務貿(mào)易中心，由于其現(xiàn)代幾何式立面結構，采用全站儀設站方式難以準確測量出裙樓傾斜面各樓層的平面位置，與交錯重疊的塔樓各樓層平面位置，以及在裙樓不同傾斜角之間和塔樓各“方塊”之間進深不一的眾多凹角，這給傳統(tǒng)規(guī)劃驗收測量帶來了挑戰(zhàn)。

1.2 作業(yè)流程

鑒于上述對會展中心異形建筑物竣工驗收的分析，項目組應用三維激光掃描技術對其進行竣工驗收測量。其作業(yè)流程如圖1所示，主要內容包括：

控制測量、外業(yè)掃描測量、內業(yè)數(shù)據(jù)處理、竣工圖核對、三維建模、建筑面積計算、平立面圖繪制、竣工地形圖繪制等。

2 三維竣工測量數(shù)據(jù)采集

2.1 控制測量

為滿足建筑工程規(guī)劃驗收測量精度的要求，本工程以《衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)范》（CJJT 73-2010）為依據(jù)，布設一級靜態(tài)GPS控制網(wǎng)，共測設靜態(tài)控制點4個，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯(lián)測四等水準8km。一級控制網(wǎng)起算點選用工程附近的紹興市三等以上平面控制點，為提升整網(wǎng)精度，起算點范圍涵蓋4個一級控制點，高程控制以附近二等基巖水準控制點作為起算點。采用一級GPS控制網(wǎng)和四等水準不僅可以保證規(guī)劃驗收控制測量的精度，還能將驗收測量成果接入紹興市平面坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。

2.2 激光掃描測量數(shù)據(jù)采集

本工程采用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，其反射距離為500m。依據(jù)建筑物異形的特點，本次三維激光掃描主要采用了以下兩種方式：

（1）單站絕對定向模式，三維激光掃描測站與靶標（類似全站儀的棱鏡）布設在圖根點上，并設置掃描相應參數(shù)，執(zhí)行掃描；（2）無靶標相對定向，采用無靶標方式，直接對目標建筑物進行掃描。對三維激光掃描儀中內置的GPS定位功能進行開發(fā)，使得三維激光掃描儀在掃描測量建筑物的同時測量掃描站的RTK坐標，從而提高了外業(yè)作業(yè)速度和內業(yè)配準效率。工程實施過程中，對建筑的掃描采用精掃模式。其中一棟樓共掃描27站，其中10站在裙樓上進行掃描，共采用標靶9個，貼于建筑物幕墻或者特征比較明顯的電線桿等物體上。另外一棟樓共掃描30站，其中9站在裙樓上進行掃描，共采用標靶10個，同時用全站儀對標靶和測站點坐標進行測定。

3 三維竣工測量數(shù)據(jù)處理

3.1 掃描測量數(shù)據(jù)預處理

對建筑物掃描后，需要進行點云數(shù)據(jù)的預處理，包括點云去噪與修補和點云配準等工作。

3.1.1 點云去噪與修補

獲取的原始點云數(shù)據(jù)，會由于灌木叢遮擋、自身遮擋、玻璃透射等原因造成了大量的空洞和噪音，致使原始點云質量較差，需要進行去噪、補洞等處理。首先在地面三維激光掃描儀的配套軟件RiscanPro中去除偏差較大的噪音，再在 Geomagic Studio中進一步去噪與交互式操作補洞。

3.1.2 點云數(shù)據(jù)配準

根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的兩種方式，數(shù)據(jù)配準工作同樣采用與之相對應的兩種模式。

（1）后視定向配準。

對于起始測站采用靶標進行配準，輸入測站坐標和靶標坐標，采用RieGL Riscan中后視定向配準模塊進行配 準，從而確定整個點云數(shù)據(jù)的全局坐標。

（2）站站間配準。

要進行粗配，可以采用兩種方法：

①選擇同名特征點的方法進行配準，該方法適用于同名點特征明顯的點，至少要選擇4個同名點，同名點應盡量選擇房屋角、線桿頂?shù)燃怃J地物點；②根據(jù)人工交互式移動測站，使未配準站移動到已配準站的對應位置，匹配精度以能夠執(zhí)行自動精確匹配為準。

粗配結束，采用軟件自動精確精配，提高配準精度，配準誤差在0.01m以內，方可進行下一站配準。

3.2 建筑物面積測算

（1）采用切片法提取特征線設計合適的切片厚度對配準之后的三維點云數(shù)據(jù)的每一層進行X-Y水平面切面處理，通過提取特征點得到建筑物每一樓層特征線，從而計算該樓層建筑面積。（2）建筑面積計算采用切片法提取得到的每一樓層特征線，并通過輸出繪圖交換文件（dxf格式文件），將其導入CAD軟件，在數(shù)據(jù)工程編輯狀態(tài)下繪制建筑物線劃圖，從而計算建筑物面積。

3.3 立面圖繪制

根據(jù)建筑物竣工驗收要求，核對建筑物竣工立面圖是一項重要工作，本項目根據(jù)掃描點云數(shù)據(jù)繪制的建筑物竣工立面圖與建設單位提供的竣工建筑物立面圖進行對比，可清晰了解其立面圖的實際尺寸，與現(xiàn)場符合情況等。首先利用軟件對點云數(shù)據(jù)三維模型進行主立面投影，并采用三維量測模式進行量測，輸出繪圖交換dxf文件，將其導入 CAD軟件中，在規(guī)劃管理工程模板下，并根據(jù)地面LiDAR 部件高分辨率數(shù)碼相機所獲得的高清晰圖片，進行立面線劃圖繪制。采用三維激光掃描儀進行建筑物竣工測量，其最終目的之一是建立目標物的三維模型并可在模型上提取斷面圖，進行量測、面積計算等。

4 結果分析

項目采用地面三維激光掃描儀結合全站儀觀測，以其中一棟樓的第9層為例，對該點云數(shù)據(jù)進行再次濾波去噪處理，并將其連接成線，與全站儀觀測數(shù)對比。三維激光掃描儀測量坐標精度中誤差為3.4cm，滿足了測量中規(guī)范對竣工測量主要地物點和次要地物點點位中誤差不應大于 5cm和7cm的精度要求。

由于兩幢樓塔樓各樓層中心均有中空，采用全站儀觀測計算該樓第9層外圍面積為3134.0m2（未扣除中空面積），三維激光掃描儀計算面積為3133.1m2，面積相差甚小。三維激光掃描儀測量獲取建筑面積與實際計算面積較差較小，遠遠滿足了規(guī)范中對竣工測量面積誤差小于1%的要求。

5 結語

本文對三維竣工測量作業(yè)流程進行了詳細描述，并以某異形建筑為工程實例，驗證了三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的可行性。與傳統(tǒng)的竣工測量方法相比，基于地面LiDAR的三維竣工方法有如下優(yōu)勢：（1）地面三維激光掃描技術以其自身的技術特點，能夠獲取一些傳統(tǒng)全站儀難以采集到的異形建筑物角點，因此其在結構復雜、超大規(guī)模建筑物驗收測量中具有較好的應用價值，應該在特定的規(guī)劃驗收中推廣使用。（2）三維竣工測量的表現(xiàn)效果和技術含量更高，傳統(tǒng)竣工測量只需測量平面和少量的高程數(shù)據(jù)，制作二維竣工圖； 而三維竣工測量采集的點云數(shù)據(jù)不僅能制作二維竣工圖，還能根據(jù)需要生產(chǎn)三維模型，技術含量高，效果真實，減少竣工環(huán)節(jié)不同部門的專業(yè)限制。（3）三維竣工測量數(shù)據(jù)成果的應用范圍更廣，不僅能滿足常規(guī)規(guī)劃驗收需求，其生成的三維模型還能作為系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)，如小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)、智慧社區(qū)系統(tǒng)等。

參考文獻

[1] 張燕.三維激光測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].城市勘測，2015，4（2）：104-108.

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