基于Leica三維激光掃描儀的建筑物日照分析測量

李強

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

日照權又稱“自然采光權”，指建筑物使用人享有獲取日光照射的權利。建筑物日照權已在2007年我國頒布實施的《物權法》中進行了明確具體的規定，因此新建的建筑物，對附近已有建筑物的陽光遮擋，必須滿足國家住宅日照標準要求[1]。對日照分析所涉及的已建建筑物進行實地測量從而為日照分析工作提供可靠資料已成為城市測繪單位一項重要的工作內容[2]。

三維激光掃描技術是一項通過非接觸式高速激光掃描測量，以陣列式點云的形式獲取物體表面三維空間數據的新技術[3]，將傳統的點測量發展為面測量，可以高效率、高質量、低成本地獲取海量的空間數據，充分體現測量目標的特征信息。三維激光掃描儀以點云形式獲取建筑物表面的陣列式幾何圖像數據，可以快速、大量地采集建筑物立面信息，為日照分析測量提供了一種全新的技術手段[4]。

2 日照分析測量的內容和要求

日照分析的原理就是根據建筑所在地的太陽方位角、高度角等信息，通過投影原理計算擬建建筑物和已有建筑物之間的遮擋關系。日照分析測量就是對日照分析所涉及的已有建筑進行實地測量，為日照分析提供可靠的測繪資料。

國家標準《城市居住區規劃設計規范》對建筑物有效日照時間進行了明確的規定[1]，應滿足大寒日日照時數應不小于 2 h。根據沈陽市的有關規定，需要對擬建建筑高度1.5倍扇形范圍的已有建筑進行日照遮擋分析，并對被遮擋建筑進行相應的補償。

根據日照分析的數據需求，對已建建筑的測量應包含的要素及測量要求如下：

(1)建筑物的平面圖，確定建筑物間相互位置關系的依據。主要測繪遮擋、被遮擋建筑主體、房頂及其附屬結構的平面圖。房頂測量主要針對遮擋建筑物，對影響日照效果的房頂結構應精確測量；附屬結構測繪主要針對陽臺、檐廊，被遮擋建筑物重點測量進光的部分，露天陽臺和封閉陽臺要區別繪制。

(2)建筑物的高度，分析確定建筑物間是否存在遮擋的重要因素。遮擋建筑物可能產生陰影的建筑物組成部分如女兒墻、檐口、坡屋頂應重點測量其高程數據。

(3)建筑物的立面圖，是日照計算的重要對象，也是后續確定擋光補償的重要依據。遮擋建筑物不需要測繪立面圖，只標明相對正負零點的高度，被遮擋建筑物才需要測繪立面圖，主要是測繪被遮擋建筑物的門窗，并精確測定其大小及高度。陽臺、門窗大小的測量以開口大小為準，由于建筑物建造誤差、儀器觀測誤差造成的相關門窗大小、高度不一致等情況，可適當進行調整，取多個相同規格門窗大小高度的平均數作為最終結果。

(4)建筑物所在位置高程，科學的日照分析還需要考慮建筑物所處位置的地形因素。一般選擇建筑物第一層消防通道處的地板高，要找準位置進行測量，測量時要注意不同立面所對應的地面間存在高差的情況。

3 日照分析測量流程

以沈陽市某擬建小區為例，介紹利用三維激光掃描儀對已建建筑進行日照分析測量的過程和方法。該擬建小區主要為33層高層住宅和臨街2層商鋪，擬建小區的建筑設計圖已提供，因此僅需對被遮擋建筑物的平立面圖進行測繪。其總體流程圖如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀日照分析測量流程

3.1 測量方案制定

(1)儀器選擇

本次日照分析測量選用的三維激光掃描儀是Leica Scan Station P40，是徠卡最新一代的三維激光掃描儀，集成了具有HDR技術的高分辨率相機，方便點云處理和紋理貼圖；精密雙軸補償技術，精度高達1.5″，可實時補償儀器輕微震動帶來的精度偏差，無須擔心掃描儀高速轉動對點云精度的影響，為獲得高質量的數據提供保障。其性能指標如表1所示。

Leica Scan Station P40性能指標 表1

(2)測站布設

測站布設應考慮掃描數據的完整性，測站點應選擇在視野開闊處，需要多測站掃描時應保證測站間的通視，測站與測站之間不小于20%的重疊度，盡量以較少的測站覆蓋整個測區。測站布設在較高且正對建筑物的位置掃描，以獲取較多的目標點，提升數據精度。為方便后期點云配準，各測站重疊區域應布設不少于3個的公共標靶，并盡量避免位于同一條直線上。

3.2 外業數據采集

根據制定好的掃描方案架設三維激光掃描儀，根據測站測量范圍設定該站的掃描起止角度，掃描分辨率設定為 3 mm/10 m，完成點云數據采集。Leica Scan Station P40集成了高分辨率相機，可在掃描同時獲取目標的影像信息，方便點云數據的后期應用。為保證點云配準精度，在場景掃描完成后，對公共標靶以及測量控制點進行掃描，以便后期點云自動配準。對于樹木、車輛遮擋較嚴重的部分，還需要結合手持激光測距儀對門窗進行補充測量。

為了將點云數據統一到沈陽市平面和高程系統，需要在測區中布設不少于3個控制點。控制點測量采用的是網絡RTK測量的方式，利用了“沈陽市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統(SYCORS)”和沈陽市似大地水準面，RTK定位精度可以達到 2 cm。

3.3 內業數據處理

內業數據處理采用的是Leica公司的點云后處理軟件Cyclone，主要包括兩部分內容，分別是點云數據預處理和點云數據配準。

(1)點云數據預處理

點云數據預處理又可分為冗余數據清理和色彩信息融合。冗余數據清理主要是采用人工交互的方式，在點云后處理軟件中清理目標前方的遮擋物、掃描有效范圍外的點云等。由于Leica P40掃描儀掃描中心和集成相機的攝影中心相對位置固定，色彩信息融合可以利用Cyclone自動處理，將影像的色彩信息賦值給點云數據，獲得彩色點云數據，如圖2所示。

圖2 預處理后的三維點云數據

(2)點云數據配準

點云數據配準是利用標靶以及布設的控制點將各個測站的點云數據合并為一個完整統一坐標系下的點云過程。其原理是以標靶作為同名點，完成測站點云數據拼接，再利用控制點將點云數據納入沈陽市的平面系統和高程系統中。Cyclone中標靶自動配準中誤差可以達到 2 mm，控制點配準中誤差主要取決于RTK的定位精度，中誤差小于 2 cm。經過配準后的彩色點云數據如圖3所示。

圖3 配準后的三維點云數據

3.4 平立面圖繪制

利用Leica Cyclone附帶的AutoCAD插件Cloudworx可以將處理好的點云數據導入AutoCAD中，利用CAD強大的矢量編輯功能進行平立面圖的繪制。常用的繪制方法主要有三種：特征點法、切片法和投影法。

特征點法是在三維點云模型中立體采集若干特征點，該方法主要應用于建筑物所在地面高程點的提取，也可通過擬合手段，將特征點擬合成線，用來繪制弧形陽臺等曲線目標物。

切片法是通過定義切平面提取某一高度區間的點云，根據一定的取舍原則將這些連串密集碎部點連接起來，得到建筑物的輪廓線，該方法適用于平面圖的繪制。

投影法，通過定義不同的投影面，將三維點云模型投影到二維平面，在平面中提取并繪制特征線，該方法主要用于建筑物立面圖的繪制。

實際項目中需要綜合運用上述三種繪制方法，如圖4所示為日照分析測量中的一個立面圖的成果。

圖4 根據點云數據繪制的立面圖

4 效率和精度分析

傳統的三維數據采集方式主要有：單點采集法，例如GPS-RTK、全站儀；基于光學攝影測量的近景攝影測量、航空攝影測量等[6]。三維激光掃描技術作為一種新興的數據采集手段，相比傳統的數據采集方式，在測量效率和精度上都有了較大提升。

目前日照分析測量最常用的方式還是全站儀測量，在此項目中將三維激光掃描儀和全站儀相比，作業效率提升了約5倍，如表2所示。

三維激光掃描儀和全站儀的單點定位精度都可以達到毫米級，在測量兩點間距離方面，三維激光掃描儀受限于掃描分辨率，測量精度比全站儀略低。選取若干門、窗、墻面，將三維激光掃描儀的測量結果同全站儀進行對比，結果如表3所示。其最大較差小于 2 cm，平均較差小于 1 cm，能夠滿足日照分析測量中測量精度不低于 5 cm的需求。

5 結 語

相比傳統的日照分析測量采用的全站儀、水準儀，三維激光掃描儀有著高效、快速、自動化、信息豐富、非接觸等特點。本文將三維激光掃描儀引入到日照分析測量中，改變了傳統的作業模式，減少了測繪工作量，在作業效率上有了較大的提升，取得了較好的成效。在點云數據處理和平立面圖繪制過程中如何減少人工干預，提高數據自動化提取程度則是今后需要研究優化的方向。