三維激光掃描在竣工驗收中的應(yīng)用

徐炳前，馬力

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

竣工驗收測量是在建筑物建設(shè)完成后所進(jìn)行的一項全方位的測量工作，其主要內(nèi)容包括：平面控制測量、高程控制測量、竣工地形圖的施測與制作、平面位置關(guān)系圖的繪制、建筑物面積量測等。針對城市竣工驗收測量而言，其主要任務(wù)是為城市規(guī)劃和管理提供必要的基礎(chǔ)地形圖和所需的規(guī)劃審批資料[1，2]。

目前城市竣工驗收測量主要為二維平面測量，隨著城市化發(fā)展腳步的加快，復(fù)雜建筑物越來越多，傳統(tǒng)的二維平面測量已不能滿足現(xiàn)代城市規(guī)劃管理的要求。三維激光掃描技術(shù)是近期迅速發(fā)展的一種測量新技術(shù)，它具有密度高、精度好、非接觸等特點(diǎn)，能夠快速、準(zhǔn)確、高效地獲取被測對象的三維坐標(biāo)。在傳統(tǒng)竣工測量的基礎(chǔ)上，通過三維量測和模型制作，可以實現(xiàn)三維竣工圖模型的同步構(gòu)建，以達(dá)到三維城市模型實時創(chuàng)建和動態(tài)更新的目的[3]。

2 工程概況及技術(shù)要求

2.1 工程概況

廣州市某項目中高層建筑物、會展中心部分垂直立面最高處達(dá)到近 110 m，且外輪廓復(fù)雜，采用全站儀設(shè)站觀測的方式較難采集到建筑物最高點(diǎn)處的高程，需要綜合應(yīng)用激光測距儀、全站儀、三維激光掃描儀等多種儀器設(shè)備；同時考慮到聯(lián)排別墅數(shù)量多達(dá)30多幢，如采用傳統(tǒng)全站儀觀測耗時較長，本項目計劃采用三維激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用于部分高層、別墅外、會展中心立面的掃描測量。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《城市測量規(guī)范》和《廣州市數(shù)字地圖測量技術(shù)規(guī)程》的要求，結(jié)合城市地籍測量中對界址點(diǎn)測量精度控制，竣工驗收測量要求竣工建筑物碎部點(diǎn)達(dá)到圖根點(diǎn)的精度：±5 cm，其他地形、地物不作為竣工驗收主體的滿足 1∶500比例尺地形圖測量的精度即可，次要建筑物的測量精度介于竣工建筑物和配套設(shè)施之間。高程精度：房屋高度的精度不低于 5 cm，地表高程注記點(diǎn)中誤差不大于 ±15 cm[4]。

3 全站儀數(shù)據(jù)采集與地形圖測繪

竣工測量成果的精度要求比普通的地形圖測繪要高，其表示的內(nèi)容也更加豐富和詳盡，常用的竣工驗收測量儀器有GPS，全站儀等。本項目中普通地形、地物采用常規(guī)全站儀數(shù)據(jù)采集模式：基于2007年建成覆蓋全廣州的“廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)”進(jìn)行控制測量，在CORS RTK控制點(diǎn)上布設(shè)圖根導(dǎo)線，然后采用全站儀極坐標(biāo)法采集碎步點(diǎn)坐標(biāo)。利用測區(qū)成果處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行圖根導(dǎo)線平差計算，在清華山維數(shù)字成圖系統(tǒng)成圖，成圖比例尺為 1∶500，廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息化測繪平臺如圖1所示。

全站儀數(shù)字法測圖的工作流程和內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、外業(yè)連線、數(shù)字化成圖、成果輸出和數(shù)據(jù)管理。在制圖過程中，點(diǎn)、線、面空間要素及共點(diǎn)、共邊要素應(yīng)嚴(yán)格捕捉，并保證編碼正確，有向線劃、封閉面應(yīng)嚴(yán)格按照有向線劃的數(shù)字化規(guī)則和面狀要素的閉合要求進(jìn)行連線，以保證空間要素、空間屬性、空間關(guān)系的正確性及連線規(guī)則的一致性，杜絕縫隙、懸掛、交叉、重復(fù)等現(xiàn)象的發(fā)生，確保成果滿足《廣州市基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)整理工作手冊》的要求[5，6]。

圖1 廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息化測繪平臺

4 三維竣工測量數(shù)據(jù)采集及處理

4.1 三維數(shù)據(jù)采集

本項目采用RIEGL VZ-400型三維激光掃描儀，采集數(shù)據(jù)主要采用兩種方式：①單站絕對定向模式，利用廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)和廣州市似大地水準(zhǔn)面精化系統(tǒng)獲取圖根點(diǎn)坐標(biāo)，三維激光掃描測站與靶標(biāo)布設(shè)在圖根點(diǎn)上，設(shè)置掃描相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行精描；②無靶標(biāo)相對定向，采用無靶標(biāo)方式，直接對驗收建筑物進(jìn)行精描。項目共布設(shè)掃描站25個，采用標(biāo)靶8個(均安置在建筑物的房角或者特征明顯的地物點(diǎn)上)，建筑物三維數(shù)據(jù)采集示意圖如圖2所示。

圖2 建筑物三維數(shù)據(jù)采集示意圖

4.2 掃描數(shù)據(jù)處理

對建筑物掃描完成后，由于掃描過程中難免存在測量噪聲點(diǎn)以及與測量目的無關(guān)的一些點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此必須進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，主要包括點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云修補(bǔ)和點(diǎn)云配準(zhǔn)等，預(yù)處理環(huán)節(jié)主要工作在掃描儀配套軟件RieGLRiscan中完成，再在Geomagic Studio中去噪與交互式操作補(bǔ)洞。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作采用兩種模式：①后視定向配準(zhǔn)，對于起始測站采用靶標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，輸入測站坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)，采用SCENE中后視定向配準(zhǔn)模塊進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定整個點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實際坐標(biāo)；②站間配準(zhǔn)，首先要進(jìn)行粗配，粗配結(jié)束，再采用軟件自動精確精配，為提高配準(zhǔn)精度，配準(zhǔn)誤差應(yīng)在 0.01 m以內(nèi)，方可進(jìn)行下一站配準(zhǔn)，否則重新配準(zhǔn)，各站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖如圖3所示。

圖3 各站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

5 面積計算與成果輸出

項目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(dǎo)入廣州市基礎(chǔ)地理信息工作站平臺EPS軟件，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換的無縫對接，基于廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院EPS開發(fā)平臺可進(jìn)行建筑物面積計算、建筑物面積匯總、建筑物成果匯總，實現(xiàn)面積成果輸出的自動化。采用全站儀觀測計算建筑物7層外圍面積為 2 673.1 m2，三維激光掃描儀數(shù)據(jù)計算面積為 2 673.8 m2，面積相差 0.7 m2，滿足相關(guān)規(guī)范對竣工測量面積誤差小于1%的規(guī)定。建筑物面積計算略圖如圖4所示。

圖4 建筑物面積計算略圖

6 精度分析

本項目綜合采用三維激光掃描測量技術(shù)和全站儀觀測進(jìn)行竣工驗收測量，表1給出了全站儀與三維激光掃描測量點(diǎn)位坐標(biāo)對比情況，可見掃描測量坐標(biāo)平面和高程精度中誤差均約為 2.0 cm，滿足測量規(guī)范中對竣工測量主要地物點(diǎn)點(diǎn)位及高程中誤差不應(yīng)大于 5.0 cm的精度要求。表1檢測數(shù)據(jù)說明：三維激光掃描技術(shù)完全可以應(yīng)用于建筑物竣工驗收測量，精度滿足《城市測量規(guī)范》的要求。通過工作量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，利用三維激光掃描技術(shù)比常規(guī)方法減少了30%的外業(yè)工作量，有效降低了外業(yè)工作的強(qiáng)度，實現(xiàn)了將部分外業(yè)工作向內(nèi)業(yè)工作轉(zhuǎn)化的目的[7，8]。

全站儀與三維激光掃描測量點(diǎn)位坐標(biāo)對比表 表1

7 結(jié) 論

本項目綜合應(yīng)用全站儀、三維激光掃描儀對廣州某項目進(jìn)行竣工驗收測量，通過與全站儀數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描測量的點(diǎn)位精度能夠滿足城市規(guī)劃驗收的要求。利用三維激光掃描儀和傳統(tǒng)測量儀器采集的測量數(shù)據(jù)，結(jié)合建筑竣工圖及相關(guān)規(guī)劃審批材料，可實現(xiàn)方便快捷地獲取竣工測量 1∶500現(xiàn)狀地形圖、建筑物平面位置關(guān)系圖、建筑物面積等測繪成果。