三維激光掃描技術和低空無人機在異形建筑竣工測量中的應用

李文國

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 前 言

隨著建筑設計及施工技術的發展，出現了越來越多的異形建筑。異形建筑顧名思義即特殊形狀的建筑體，主要指建筑幕墻表面整體的形態呈曲面而表現出較為特殊的立面及空間效果，展現出極強的視覺沖擊力和感染力。針對一般建筑的竣工測量，因外輪廓垂直地面、平面形狀較為規整，采用傳統儀器方法即可完成數據采集，如全站儀、GPS-RTK。但是傳統的測量方法均是相互獨立的單點測量模式，異形建筑特征點難以取舍，內業成圖各構筑物要素不易表達[1]，難以全面反映異形建筑在空間的連續變化情況，尤其是外輪廓呈現為曲面、剖面為曲線的異形建筑，若繼續采用傳統測量方法，不僅工作量大，而且測量難度也大。

三維激光掃描技術突破了傳統的單點測量模式，以點云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數據，為異形建筑的竣工測量提供了很好的解決方案。由于三維激光掃描技術具有良好的技術特性，已逐步應用于各相關領域，部分學者探索過三維激光掃描技術在異形建筑、結構復雜建筑、超大規模建筑竣工測量中的應用研究[1～3]，該方法在異形建筑物的竣工測量中具有無可替代的優勢[1]。

近年來，低空無人機航測技術快速發展，具有便利性強、成本低、功能多、靈活性高的特點[4]，在獲取正射影像圖、三維建模、智慧城市建設、城市規劃、應急救災等方面都有廣泛的應用，為解決工程領域的難題提供了新的解決思路。有學者研究過無人機在地形圖測繪中的應用[4～6]，可滿足規劃竣工地形圖的精度要求，能夠極大地提高地形圖繪制效率，同時獲取直觀影像，既豐富了竣工測量成果，也為立面圖的繪制、面積分層計算提供了很好的判別依據。因而，針對異形建筑的竣工測量，將三維激光掃描技術和低空無人機航測技術結合起來，既可以解決異形建筑物信息獲取問題，又可以提高作業效率，是一個值得研究的方向。

2 三維激光掃描技術在異形建筑竣工測量中的應用

2.1 三維激光掃描竣工測量流程

三維激光掃描技術是一種全自動高精度立體掃描技術，可以深入到任何復雜環境中進行掃描操作，大面積、高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。針對異形建筑表面特征點數據不易準確獲取的情況，可利用地面三維激光技術獲取建筑物密集點云數據，并輔助傳統全站儀測量方法，通過相關技術手段精確、快速地繪制建筑物平面、立面等圖形。作業流程如圖1所示。

2.2 異形建筑分層面積計算

異形建筑剖面外輪廓一般為曲線或斜線，分為外傾斜或內傾斜。根據面積計算相關規范，建筑物墻體有內傾斜、曲線等非垂直面墻體構成，按層高在 2.20 m以上，或無法直接測量層高時按其室內凈空 2.10 m以上部分(含 2.10 m)的水平投影計算全部建筑面積；建筑物墻體外傾斜時，超出底板外沿的，按底板外沿計算全面積[7]。外傾斜面積計算與內傾斜面積計算如圖2、圖3所示。

圖1 三維激光掃描測量作業流程

圖2 外傾斜面積計算

圖3 內傾斜面積計算

采用三維激光掃描技術獲取異形建筑點云數據后，利用切片法獲取分層平面點云，剔除噪聲點云后采用擬合法對提取出的平面點云擬合出輪廓走向，得到分層平面圖，進而計算出各層建筑面積。

2.3 異形建筑立面圖制作

立面圖表示出的內容應能體現出建筑造型的特點，主要由能表現出建筑物基本形狀和重要特征的輪廓線構成。常規建筑的外輪廓垂直地面、平面形狀較為規整，立面圖繪制較為簡單，異形建筑的外輪廓為曲線或不規則斜線，常規繪制方法需經全站儀采集數據并經內業擬合，無法準確表達立面特征，且繪制復雜，可基于點云數據進行特征提取，經局部修補即可生成精確的立面圖。具體流程如圖4所示：

圖4 立面圖繪制流程圖

3 低空無人機在異形建筑竣工測量中的應用

低空無人機作為一種現階段較為成熟的低空對地觀測手段，具有易于操控、獲取影像周期短、作業機動性強等特點。基于上述特點，利用無人機傾斜攝影測量技術，通過航線交叉飛行，可以獲取 1∶500竣工地形圖、正射影像圖、三維影像圖，相對于常規測量方式，不僅能提升生產效率，還能為規劃竣工驗收提供更為豐富、直觀的數據信息，輔助行政審批部門管理決策。低空無人機航空攝影輔助竣工測量流程如圖5所示。

圖5 低空無人機航空攝影輔助竣工測量流程

4 應用案例

4.1 工程概況

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心(以下簡稱“審協廣東中心”)隸屬國家知識產權局專利局，位于中新廣州知識城，審協廣東中心鳥瞰圖如圖6所示，總占地面積 66 669 m2，包括多幢異形建筑體，總建筑面積近20萬平方米。審協廣東中心采用GRC內外一體式幕墻體系，建筑物外輪廓呈現為曲面、剖面為曲線，其外廓帶有曲面、斜面和退層，并有一定的傾斜角度，作為規劃竣工驗收測量重要成果的建筑平面和立面信息數據，使用常規測量方法難以獲取。

圖6 審協廣東中心鳥瞰圖

4.2 作業流程

審協廣東中心建筑體造型獨特、結構復雜，為獲取準確的數據，采用了三維激光掃描技術、低空無人機航空攝影測量技術，利用廣州市規劃基礎信息平臺，生成建筑物平面位置關系圖、竣工測量地形圖、面積計算示意圖、立面線圖，測量流程如圖7所示。

4.3 面積計算

本工程利用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀獲取建筑物海量點云數據，后期采用RiscanPro及3ds Max處理點云數據，采用彎管目鏡輔助全站儀三角高程法測量各層建筑物標高，如圖8所示，得到各層樓高。根據建筑物墻體內外傾斜不同情況，設置不同的切片高度，如圖9所示，切片獲取分層平面點云，經處理后擬合平面輪廓，進而計算得到各層建筑面積。

圖7基于三維激光掃描、低空無人機技術的竣工測量流程

圖8 點云切片標高設置

圖9 分層切面線生成

4.4 繪制立面圖

將已提取的建筑物特征點云導入3ds Max中，通過建筑物CCD數字圖像等輔助信息，對特征點云經人機交互特征追蹤進行連接。經過上述操作之后，特征點集被轉換為輪廓線集，實現了建筑物的立面模型重建。此外，由于樹木等障礙物的遮擋，建筑物特征線會出現空洞或斷續現象，則根據CCD數字圖像、實測尺寸等信息對空洞區域或未連接的部分進行修補和連接，從而構建出完整的建筑物立面線劃圖，如圖10所示。

圖10 建筑物立面線劃模型生成

4.5 制作影像圖、竣工地形圖

采用瑞士生產的ebee無人機系統對審協廣東中心地塊進行低空航空攝影測量，現場使用隨機飛控軟件設置飛行區域、劃分航線，分辨率設置為 5 cm，旁向重疊與航向重疊均為70%，飛行模式為交叉飛行，以便制作三維模型。飛行一個架次，共生產25條航線，飛行時間約 30 min。外業飛行完畢后，利用eMotion2軟件和Postflight Terra 3D軟件后處理航片，生產三維模型和正射影像圖，基于EPS平臺輔助制作竣工測量地形圖，正射影像圖如圖11所示。

圖11 正射影像圖

經綜合采用三維激光掃描技術、低空無人機航空攝影測量等測量方法，最終生產的成果包括控制測量資料、面積計算資料、竣工測量平面圖、竣工測量立面圖、竣工測量地形圖、正射影像圖、三維模型，提高了工作效率，為行政審批部門提供了翔實的現場數據。

5 結 語

隨著城市化進程的加快，施工技術的進步，異形建筑以其獨特的面貌出現在世人面前，在帶來視覺沖擊的同時，也給竣工測量帶來了挑戰，傳統竣工測量方式已無法滿足審批部門對精度、時效、規劃管理的需求。本文以審協廣東中心為實例，介紹了三維激光掃描技術、低空無人機應用于異形建筑竣工測量的思路和方法，利用三維激光掃描技術進行建筑面積測量、立面圖測制，采用低空無人機航空攝影測量技術進行竣工地形圖測量、三維模型與正射影像圖制作，解決了異形建筑物分層面積計算及平面圖、立面圖、竣工測量地形圖繪制問題，提高了工作效率。