三維激光掃描在竣工驗收中的應用

徐炳前，馬力

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

竣工驗收測量是在建筑物建設完成后所進行的一項全方位的測量工作，其主要內容包括：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，其主要任務是為城市規劃和管理提供必要的基礎地形圖和所需的規劃審批資料[1，2]。

目前城市竣工驗收測量主要為二維平面測量，隨著城市化發展腳步的加快，復雜建筑物越來越多，傳統的二維平面測量已不能滿足現代城市規劃管理的要求。三維激光掃描技術是近期迅速發展的一種測量新技術，它具有密度高、精度好、非接觸等特點，能夠快速、準確、高效地獲取被測對象的三維坐標。在傳統竣工測量的基礎上，通過三維量測和模型制作，可以實現三維竣工圖模型的同步構建，以達到三維城市模型實時創建和動態更新的目的[3]。

2 工程概況及技術要求

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到近 110 m，且外輪廓復雜，采用全站儀設站觀測的方式較難采集到建筑物最高點處的高程，需要綜合應用激光測距儀、全站儀、三維激光掃描儀等多種儀器設備；同時考慮到聯排別墅數量多達30多幢，如采用傳統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應用于部分高層、別墅外、會展中心立面的掃描測量。

2.2 主要技術指標

根據《城市測量規范》和《廣州市數字地圖測量技術規程》的要求，結合城市地籍測量中對界址點測量精度控制，竣工驗收測量要求竣工建筑物碎部點達到圖根點的精度：±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，地表高程注記點中誤差不大于 ±15 cm[4]。

3 全站儀數據采集與地形圖測繪

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、地物采用常規全站儀數據采集模式：基于2007年建成覆蓋全廣州的“廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統(GZCORS)”進行控制測量，在CORS RTK控制點上布設圖根導線，然后采用全站儀極坐標法采集碎步點坐標。利用測區成果處理系統軟件進行圖根導線平差計算，在清華山維數字成圖系統成圖，成圖比例尺為 1∶500，廣州市規劃基礎信息化測繪平臺如圖1所示。

全站儀數字法測圖的工作流程和內容：數據采集、數據處理、外業連線、數字化成圖、成果輸出和數據管理。在制圖過程中，點、線、面空間要素及共點、共邊要素應嚴格捕捉，并保證編碼正確，有向線劃、封閉面應嚴格按照有向線劃的數字化規則和面狀要素的閉合要求進行連線，以保證空間要素、空間屬性、空間關系的正確性及連線規則的一致性，杜絕縫隙、懸掛、交叉、重復等現象的發生，確保成果滿足《廣州市基礎地理空間數據庫數據整理工作手冊》的要求[5，6]。

圖1 廣州市規劃基礎信息化測繪平臺

4 三維竣工測量數據采集及處理

4.1 三維數據采集

本項目采用RIEGL VZ-400型三維激光掃描儀，采集數據主要采用兩種方式：①單站絕對定向模式，利用廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統(GZCORS)和廣州市似大地水準面精化系統獲取圖根點坐標，三維激光掃描測站與靶標布設在圖根點上，設置掃描相應參數進行精描；②無靶標相對定向，采用無靶標方式，直接對驗收建筑物進行精描。項目共布設掃描站25個，采用標靶8個(均安置在建筑物的房角或者特征明顯的地物點上)，建筑物三維數據采集示意圖如圖2所示。

圖2 建筑物三維數據采集示意圖

4.2 掃描數據處理

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以及與測量目的無關的一些點云數據，因此必須進行點云數據的預處理工作，主要包括點云去噪、點云修補和點云配準等，預處理環節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洞。數據配準工作采用兩種模式：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SCENE中后視定向配準模塊進行配準，從而確定整個點云數據的實際坐標；②站間配準，首先要進行粗配，粗配結束，再采用軟件自動精確精配，為提高配準精度，配準誤差應在 0.01 m以內，方可進行下一站配準，否則重新配準，各站數據配準之后的建筑物點云數據圖如圖3所示。

圖3 各站數據配準之后的建筑物點云數據圖

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)，將其導入廣州市基礎地理信息工作站平臺EPS軟件，從而實現了數據交換的無縫對接，基于廣州市城市規劃勘測設計研究院EPS開發平臺可進行建筑物面積計算、建筑物面積匯總、建筑物成果匯總，實現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據計算面積為 2 673.8 m2，面積相差 0.7 m2，滿足相關規范對竣工測量面積誤差小于1%的規定。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和全站儀觀測進行竣工驗收測量，表1給出了全站儀與三維激光掃描測量點位坐標對比情況，可見掃描測量坐標平面和高程精度中誤差均約為 2.0 cm，滿足測量規范中對竣工測量主要地物點點位及高程中誤差不應大于 5.0 cm的精度要求。表1檢測數據說明：三維激光掃描技術完全可以應用于建筑物竣工驗收測量，精度滿足《城市測量規范》的要求。通過工作量統計發現，利用三維激光掃描技術比常規方法減少了30%的外業工作量，有效降低了外業工作的強度，實現了將部分外業工作向內業工作轉化的目的[7，8]。

全站儀與三維激光掃描測量點位坐標對比表 表1

7 結 論

本項目綜合應用全站儀、三維激光掃描儀對廣州某項目進行竣工驗收測量，通過與全站儀數據的對比分析，發現三維激光掃描測量的點位精度能夠滿足城市規劃驗收的要求。利用三維激光掃描儀和傳統測量儀器采集的測量數據，結合建筑竣工圖及相關規劃審批材料，可實現方便快捷地獲取竣工測量 1∶500現狀地形圖、建筑物平面位置關系圖、建筑物面積等測繪成果。