空地協同測繪在廣州圓異型建筑驗收中的應用

楊 光，劉 敏，王 磊，周燕芳

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

隨著當今信息化測繪體系的協同發展，以數字化為主體的技術裝備將GNSS、RS、GIS與數字測繪產品有機結合，實現空天陸海的一體化[1]。基于這一理念,空地協同測繪或一體化測繪的內涵是將地面與空中的測繪遙感技術手段相結合，實現技術的互補、作業的協同和成果的互用。正因為如此，基于多種儀器設備的空地協同測繪已成為近年來的研究熱點，并在公路勘察[2]、地形測量[3]、全景影像快速獲取[4]和水上水下測繪[5]等領域得到研究應用。三維激光掃描技術具有數據獲取速度快、非接觸、精度高、直接獲取目標物體表面三維數據等優勢；無人機影像可以獲取建筑物頂部和地面信息，結合三維激光掃描技術獲取的建筑物立面信息，二者可以實現優勢互補，更利于進行復雜建筑物的精密測繪、模型的精細構建和三維場景的快速更新[6]。

規劃驗收測量是城市建筑工程規劃管理的重要環節，是在建筑物工程竣工后對建筑物實體進行全方位的精細現狀測量，并按照規劃部門前期審批條件(平面位置關系、立面、面積、容積率等規劃指標)進行規劃技術審查的工作。隨著現代建筑藝術的發展和人民經濟生活水平的提高，許多城市在建設過程中更加注重城市個性化發展，以抽象思維設計標志性建筑物往往以非常態表現形式呈現。對這些建筑物進行規劃驗收測量時，采用常規測繪方法需要逐層逐邊進行量測，然后分層繪制、測算，不僅工程量巨大、測繪周期長，而且不規則區域特征部位往往難以直接獲取，從而導致點位精度和面積可靠性等技術指標均難以滿足規范要求。

廣州圓大廈被列入廣東省新十項工程和廣州市重點項目，是省政府重點支持的大型現代發展項目。項目坐落于廣州白鵝潭經濟圈最南端，毗鄰珠江，規劃占地面積13萬m2。大廈建筑造型獨特，主體為圓璧形，兼具超甲級寫字樓和商業兩大功能，并規劃配套2棟30層酒店式公寓和塑料博物館、蠟像館，是集商務辦公、奢華購物、酒店式公寓和旅游于一體的大型商務綜合體。利用獨特江景建筑風格，廣州圓大廈將著力打造為全球化江岸商務辦公新地標和五百強總部基地。

1 技術難點與應對

1.1 特殊的建筑形態制約了輪廓特征采集

廣州圓大廈主體為高138 m、外圓直徑146.6 m、內圓直徑47 m的33層建筑，總建筑面積10.6萬m2。建筑外部形狀渾圓、內部構造方正，這與建筑外圍設計的大圓面擋住了中間凸出的方形建筑空間有關。建筑的構造由古玉璧形狀得到啟發，兩個圓形外墻完全支撐方形的樓層，使室內空間能夠充分利用，而方塊與圓形外墻形成的反差是建筑主特色之一。“雙圓支撐”“同心圓環”和“外圓內方”等一系列獨特的造型設計使得建筑輪廓極度不規則，同時也制約了建筑特征點的直接測量。

規劃驗收測量作為建筑工程規劃管理的重要環節，需要對建筑物實體進行外部輪廓的精確確定，并按照規劃部門的審批條件(平面位置關系、立面、面積、容積率等規劃指標)進行逐一對比。而外形輪廓的制約，使得很多重要部位無法到達，很多關鍵特征點也無法通視，阻礙了建筑輪廓特征點的采集獲取。

無人機技術是近年來研究和應用的熱點，輕小型無人機因其獲取影像機動靈活、影像分辨率高、成本低等優勢,成為傳統航空攝影測量手段的有效補充[7]。低空無人機航空攝影測量可快速獲取大范圍影像數據，結合傾斜攝影材料還可以生成精確三維模型，在違法測量、應急測繪、交通、農業等有著廣泛應用。基于“廣州圓”大廈的結構特點，本項目在規劃驗收測量中引入低空無人機進行傾斜航空攝影，并與地面三維激光精細掃描技術相結合，形成了“空地協同”的測繪模式，實現了建筑輪廓的快速精確采集。

1.2 復雜的內部構造給面積計算帶來影響

廣州圓大廈設計結構類型為混凝土核心筒加鋼支撐結構，內墻為加氣混凝土[8]。工程有23 m的大懸挑，外面有兩層網狀支架，施工難度極大，部分工藝構造是國內首次應用。大廈主體構造極不規則：地下2層高4.2 m，地下1層高5.2 m，地上首層高6.96 m、2、3層高5 m、4層高4.1 m、其余層高4 m；地上33層和地下2層，地下2層為車庫。地上一共33層的建筑物，在27層還需要轉換一次電梯。由于主體復雜的結構構造，加之有挑層錯層又層層交錯，導致建筑單元和功能區愈加復雜。

規劃驗收測量需詳細測繪并體現房屋分層平面布局、單元戶型結構、樓梯、公共過道、公建設施用房、設備用房、管理用房、核心筒、停車泊位等內容，并形成分層平面圖。高低錯落分布的單元和功能區，在平面和立面投影上特別復雜，也給層高測量和功能區面積計算等工作帶來較大困難。

為此，項目組嚴密籌劃精心設計，結合工程特點采用三維激光掃描技術手段，使外業數據采集突破傳統的單點采集模式，數據量的獲取達到30萬點/s[9]，極大地縮短了外業工作時間，有效提高了作業效率。同時，基于廣州市規劃基礎平臺自主研發了具有相應功能的信息化測繪軟件，集數字化地形圖成圖、編繪及數據整理入庫，以及竣工驗收測量平面位置關系圖、立面圖、面積圖繪制計算等多功能于一體，避免了多種軟件之間轉換精度損失，大大增強了內業處理效率。

1.3 超大型玻璃幕墻為測量工作帶來挑戰

出于外觀和節能的綜合考慮，廣州圓大廈設計采用的是金色特種低輻射玻璃，玻璃幕墻總面積超過4萬m2。玻璃表面采用高科技涂料，太陽直射時看不到金黃色，隨著視角的變化玻璃顏色會發生變化。這種玻璃具有優異的透光性，白天室內基本使用自然光，同時也有良好的隔熱效果，能將輻射熱量有效反射，達到少開空調的節能效果。與現有的高層建筑(如珠江新城西塔、廣州塔)不同，廣州圓大廈的玻璃面積和形態各不相同，其中最小的僅有0.15 m2，最大一塊達7 m2，總共有30多種形狀。

這種大面積和非規則玻璃墻面的使用顯著增加了立面和特征輪廓采集的難度和工作量。由于幕墻的通透性，采集碎部點時免棱鏡全站儀不能直接通過反射獲取數據，一般必須通過使用小棱鏡來獲取。同時，采用三維激光掃描時也必須充分進行數據濾波，提取和利用玻璃邊框處有效數據參與內插才能確保幕墻的測量精度。為此，項目組在立面關鍵部位測繪中，綜合使用手持測距儀、全站儀、激光掃描儀等多種設備聯合作業，以多種測繪手段互為補充、互為驗證，提高了成果可靠性。應當看到，雖然三維激光掃描在通透材質的建筑物數據采集中有一定的局限性，但得益于先進和高速的掃描技術，在類似結構復雜、超大規模的測量中仍有著明顯優勢。

2 技術實施

2.1 三維動態模式的CORS控制測量

按照建筑物竣工驗收測量技術方案的總體要求，空地協調測繪的作業從無人機到全站儀，再到三維激光掃描設備，各作業小組、各作業模式均統一使用同一套控制網，并與精密施工控制網保持一致，減少控制點精度差異。項目的圖根控制直接采用廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統(GZCORS)，并與廣州市似大地水準面成果(GZGEOID)緊密結合，利用亞厘米級高精度GZGEOID計算正常高[10]，以動態測量的模式直接獲取三維坐標。

作業現場除廣州坐標和高程外，還基于遠程模式的三維坐標轉換系統(GZGeoTrans)[11]直接獲取嚴密的WGS-84三維地心坐標、CGCS2000坐標和局部施工坐標，以滿足多種用途。GZGeoTrans與CORS平臺無縫連接，直接支持測量手簿移動端作業，使用便捷且安全可靠，坐標實時轉換效率得到了極大提高，也兼顧了甲方的工程作業要求。經與既有控制成果作比對統計，RTK成果平面精度優于1.0 cm，高程優于1.7 cm，測量點對的邊長最弱相對精度優于1/6000，根據《廣州市GNSS RTK測量技術規程》等規范要求，完全滿足城市三級控制點精度，見表1。

表1 三級RTK控制點檢測精度統計

注：(1)較差個數小于20個統計平均值，大于20個統計中誤差；

(2)S為測距，單位m。

2.2 基于傾斜攝影的無人機低空測量

項目采用瑞士Sensefly公司的無人機系統對廣州圓大廈及周邊用地進行低空航攝。考慮用地范圍內西側和北側有高架橋，東側有高壓塔，南側為珠江水域，科研樓建筑設計高度為138 m，綜合現場各種情況，無人機起飛和降落點選擇在西南側一處草坪。現場用eMotion2軟件設置飛行區域，旁向重疊與航向重疊均為70%。因需制作用地范圍內的三維模型，選擇航線交叉飛行。最終共20條航線，總飛行時間約26 min。

外業飛行完畢，用eMotion2和Postflight Terra 3D軟件處理航拍照片，生成飛行區域的三維模型和正射影像圖。經過精細濾波和局部修正后，利用點云影像數據對建筑場景進行數據提取，得到反映建筑物表面幾何結構的三維信息，并進行航站樓三維精細模型的構建。生成的正射影像圖可用于內業連線，檢查員檢查地形圖。正射影像圖和三維模型也為建設單位提供更加多樣化和直觀的竣工規劃驗收測量成果，如圖1所示。

圖1 廣州圓大廈及周邊用地三維影像

2.3 多模式的三維激光精細掃描測量

三維激光掃描突破了單點精確測量的局限，目前已在硬件裝備、三維點云數據處理及應用3個方面取得了巨大的進步[9，12]。它克服了規劃驗收測量局限性，不再利用皮尺、測距儀等直接量取長寬高，而是對建筑物進行大規模無接觸掃描，同時將點云數據進行快速轉換處理，解決了建筑物立面數據人工采集帶來的精度損失、效率損失等問題，尤其是解決了高層建筑物立面元素無法量測的問題，具有快速、無接觸、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點。以點云形式獲取建筑物表面的陣列式幾何圖像數據，為快速測制建筑物的立面圖提供了一種全新的技術手段，同時還可以較為便利地建立高分辨3D模型。

項目采用Riegl VZ400和FARO Focus3D×330設備進行了多種模式的聯合激光掃描。Riegl掃描儀在廣州圓四周共掃描22站，FARO掃描儀在廣州圓10層內圓中空位置共掃描10站。經過Riscan Pro軟件的數據初配準和ICP自動精配準，將外業掃描的各站點云數據置于同一個坐標系下，進行濾波后輸出點云數據。對點云數據在不同高度作切片處理，可直接繪制各層輪廓線，也可直接用于各層的面積計算。

2.4 信息化測繪軟件的內業自動處理

項目的數字化地形圖成圖、編繪及數據整理入庫，竣工驗收測量平面位置關系圖、立面圖的制作及面積計算等全流程都是基于自主研發的內外業一體化軟件——廣州市規劃基礎信息測繪平臺來完成。平臺提供了從外業數據采集記錄、內業控制網平差計算、數據導入、地形圖繪制、GIS前端數據整理、數據質量檢查、數據轉換等成套的作業模塊，使得外業數據采集、內業圖形繪制、屬性內容錄入集成在一個平臺系統中，簡化了作業的中間過程及對其他軟件的依賴，如圖2所示。

圖2 驗收平面位置關系圖

傳統的規劃驗收測量面積匯總表和建設工程規劃驗收概況一般采用手工錄入信息計算匯總的方式。采用新開發的廣州市規劃基礎信息化測繪平臺后，面積計算完成后，面積匯總表和建設工程規劃驗收概況即可自動生成，不僅提高了工作效率，也減少了多環節人工錄入信息易產生的錯誤。項目為業主方提供了《廣州市建設工程規劃驗收測量記錄冊》1冊、正射影像圖1份、三維模型1個，所提供的資料地理精度、數學精度等符合驗收測量的要求。相關測量數據有力地輔助了規劃行政技術審查，經比對，建設工程現場基本符合規劃驗收測量要求，部分間距略大于批準間距。城市規劃管理部門依據竣工驗收測量成果及時做出批復，使該工程順利通過規劃驗收。

3 結 語

廣州圓大廈設計獨特，結構復雜，測繪面積大，精度要求高，項目組克服不利條件，在規劃驗收測量中引入了低空無人機進行傾斜航空攝影，并與地面三維激光精細掃描技術相結合。在幕墻等關鍵部位測繪中， 綜合使用手持測距儀、全站儀、激光掃描儀等多種設備聯合作業，以多種測繪手段互為補充、互為驗證，提高了成果可靠性，形成了空地協同的測繪模式，實現了建筑特征數據的快速精確采集，極大地縮短了外業工作時間，有效提高了作業效率。

雖然三維激光掃描在通透材質的建筑物數據采集中有一定的局限性，但在結構復雜、超大規模建筑物測量中仍有著明顯優勢。利用生成的竣工3D模型與建筑物報建直接進行比對，可滿足規劃審批的需要，也探索驗證了城市重大建筑物、標志性建筑物的精細驗收新模式。