三維激光掃描儀在規(guī)劃核實驗收中的應用

魏祎華

摘 ?要：規(guī)劃核實是建設單位竣工驗收的重要環(huán)節(jié)，上海市于2018年4月開始實施規(guī)劃核實“兩圖融合”工作，地形測繪的重要性尤為突出，廣大測繪工作者一直在研究如何提升地形測繪的工作效率。三維激光掃描給測繪領域帶來一場技術革命，它可以快速地獲取高精度掃描數(shù)據(jù)，并對掃描物體進行完整建模，不愧為“實景復制技術”。將全站式掃描儀應用到地形測繪中，探索應用方法與理論，將具有一定的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：規(guī)劃核實;全站式掃描儀;地形測繪

中圖分類號： P228 ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

規(guī)劃核實是建設單位進行竣工驗收中的重要環(huán)節(jié)，地形測繪又是其中一個重要的組成部分;上海于2018年4月開始對全市的規(guī)劃核實項目要求進行“兩圖融合”，為城市地形圖更新入庫提供數(shù)據(jù)。

三維激光掃描儀是一種以高效、高精度、快速獲取點云矢量坐標的儀器漸漸地出現(xiàn)在很多測量工作中，其工作原理是利用掃描儀對目標發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和接受的時間差來計算目標距離，再結合水平方向和垂直方向的距離和角度值，即可計算出目標點的三維球心坐標。這些大量具有矢量性質的點組成點云存儲在機器中[1]。

Trimble SX10集測量、影像和高速3D掃描于一體，SX10單一儀器同時捕獲高精度的全站儀測量數(shù)據(jù)和真正的高速3D掃描影像，提供的性能比以往任何時候都更高級，在600 m測程范圍內(nèi)，能夠同時保持每秒高達26 600個點的高精度數(shù)據(jù)。Trimble Business Center（TBC）可以把Trimble SX10采集的點云數(shù)據(jù)完全整合成適合內(nèi)業(yè)處理的多種格式，見表1。

1 規(guī)劃核實中地形測繪的內(nèi)容及要求

地形測繪的具體實測方法主要參照DG/TJ08—86《1∶500 ?1∶1000 ?1∶2000數(shù)字地形測量規(guī)范》中“6.3 野外地形測量方法”章節(jié)的要求執(zhí)行。

測區(qū)實行全野外數(shù)字化實測方式實測地形，用極坐標法測定的建筑物、構筑物和圍墻等主要地物特征點數(shù)占其總點數(shù)的比例應大于75%。

地形測繪嚴格按照規(guī)范要求進行外業(yè)測繪，需實測的地物應做到應采盡采，不能遺漏，做到“跑到、看到、量到”。

新建的住宅小區(qū)、企事業(yè)單位等范圍內(nèi)的全部房屋及附屬設施需實測。建筑物凹凸部分須按實際情況進行表示，不得舍去。

建筑物的附屬部分主要是指裙房、檐廊、架空通廊、底層陽臺（無論落地與否）、 門廊、柱廊、天井、臺階、斜臺、室外樓梯、建筑物下通道、地下建筑物天窗以及通風口等，附屬部分不應作為判別建筑物結構的對象。建筑物附屬部分均應實測，按實際情況進行表示，不得舍去。

建筑物的上下坡道實測范圍，雙向坡道和單向坡道都用建筑物的上下坡道邊線繪示，范圍線需閉合。雙向坡道的畫法可參照臺階，可利用符號部件插入的方式完成。

同一結構不同層次應盡量分開繪示。如果難以區(qū)分的，可依其主要的或大部分的層數(shù)注記，零星局部不易劃分或劃分后難以注記的，可并入主體。

臨時的活動房屋、施工單位搭建的臨時工棚（房）及材料棚等可免測。

圍墻寬度按實測按實繪示，且應保持主干線連續(xù)完整。

起境界作用的柵欄、籬笆、活樹籬笆、鐵絲網(wǎng)等應實測，且應保持主干線連續(xù)完整。

建設項目的內(nèi)部道路（包括綠化內(nèi)的道路）均需實測。

地形測繪點位精度要求：重要地物點（建構筑物和起境界作用的圍墻、柵欄等）相對周圍控制點中誤差不超過5 cm，困難區(qū)域，適當放寬0.5倍。一般地物點（道路、井蓋、路燈等）相對周邊控制點的中誤差不超過10 cm，困難地區(qū)，規(guī)定放寬 0.5 倍。

2 三維激光掃描儀外業(yè)采集數(shù)據(jù)

地形測繪中，使用三維激光掃描儀大致分為4個流程：控制測量、標靶布設、架站選擇和數(shù)據(jù)采集。

2.1 控制測量

地面三維掃描因控制點具體可分為絕對掃描和相對掃描2種情況，如果在掃描過程中，賦予標靶絕對坐標，那么就能夠得到建筑物地方坐標系點云數(shù)據(jù)。要達到這種目的，就需要布設一定數(shù)量的控制點在建筑物周圍，控制點布置必須遵循利用方便原則，點位精度要比點云精度高，控制點之間要相互通視[2]。

控制點可以采用RTK平面測量方式布設，按精度劃分為二級、三級、圖根和碎部。技術要求應符合表2的規(guī)定。

當流動站連續(xù)顯示固定解后，RTK平面控制測量就可以開始觀測，每個控制點需要單獨進行二次初始化，每次初始化需要有兩組觀測數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)至少采集10個歷元數(shù)，4組數(shù)據(jù)滿足平面點位較差不大于2 cm時，方可選擇其中一組數(shù)據(jù)或平均值。

在同一測區(qū)，RTK平面控制測量時布點至少有3點，所有的測量成果都要有至少10%的重復抽樣檢查，并且保證檢查點數(shù)3點以上，重復抽樣檢查可在隔日或收測時進行，檢測需要重新進行初始化，初次采集數(shù)據(jù)與重復抽樣采集點位較差應小于3 cm。

使用RTK平面控制測量成果前需要對每個測量成果進行邊長或角度檢核，技術要求應符合表3的規(guī)定。

2.2 布設標靶

布設標靶是整個掃描過程中的關鍵環(huán)節(jié)，它的目的是使掃描所獲取的點云數(shù)據(jù)可以統(tǒng)一到絕對坐標系中。同時，標靶布設要考慮網(wǎng)形情況，主要是因為標靶布設精度會影響點云的拼接精度。測站和標靶要保證通視，標靶離測站不能太遠，一般控制在50 m內(nèi);公共標靶和測站在布設時，不要在一條直線上，這樣是為了保障坐標轉換精度。

標靶應在掃描范圍內(nèi)均勻布置，且高低錯落;相鄰兩測站的公共標靶個數(shù)不少于3個;標靶可使用地物特征點、掃描儀配套標靶以及標靶紙等。

2.3 測站選擇

測站一般根據(jù)測區(qū)情況及范圍進行選擇，掃描儀應設置在視野開闊、地面穩(wěn)定的區(qū)域，設站數(shù)量要盡量減少;相鄰測站間至少有3個標靶可以同時存在;測站選擇一般要避免有人員或車輛在掃描儀視野中穿過。

2.4 采集數(shù)據(jù)

SX10三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集過程類似于全站儀，可以分為5個步驟：對中整平、安裝儀器、設置參數(shù)、標靶測量、數(shù)據(jù)采集和換站等6個步驟。

掃描分辨率在30 m內(nèi)不宜低于6 mm，掃描范圍應覆蓋整個掃描對象，待掃描對象復雜、通視困難時應增加測站，相鄰測站有效點云數(shù)據(jù)重疊率不宜低于30%，困難地區(qū)不宜低于15%。

設有標靶的測站宜對標靶進行識別或精掃，點云掃描完成后，宜進行影像采集，全部完成后進行下一站掃描;如果架設標靶，應在全部掃描完成后再撤走標靶。

2.5 外業(yè)數(shù)據(jù)檢查

外業(yè)數(shù)據(jù)檢查是三維掃描儀在作業(yè)過程中很重要的一環(huán)。每站完成掃描工作后，宜立即進行數(shù)據(jù)檢查。數(shù)據(jù)檢查的內(nèi)容主要有5個方面。1）數(shù)據(jù)是否已存儲完畢并保存完畢。2）檢查是否可以打開灰度圖。3）結合地物、地貌，檢查掃描區(qū)域是否有遺漏。4）需要標靶掃描市，檢查標靶是否已掃描。5）檢查是否存在噪點或噪點是否影響使用。

如果存在檢查不通過的情況，可以選擇區(qū)域進行局部重測，兩次掃描的點云可以自動拼接。當然，如果區(qū)域特別大，建議重新采集數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理

3.1 轉換坐標

在外業(yè)掃描時，因為測區(qū)條件的原因，無法使用絕對坐標系，獲得的點云數(shù)據(jù)只是點與點之間的相對位置關系，碰到這種情況就需要進行坐標轉換。轉換坐標主要通過公共點（公共標靶）來求轉換參數(shù)，這類模型一般采用布爾莎7參數(shù)。

3.2 拼接點云

拼接點云是將多站獲得的掃描數(shù)據(jù)拼接到一個整體的過程，點云拼接的方法有基于靶球拼接方式或者采用公共點云拼接。在實際作業(yè)中，各站測量所獲得的掃描數(shù)據(jù)都是在絕對坐標系下，這樣就不用拼接，直接把各站數(shù)據(jù)導入天寶自帶的TBC，即可形成一個完整的整體。如果各站在相對坐標系得到掃描數(shù)據(jù)，那就要基于標靶或者公共點云拼接。采用公共點云拼接時，兩站間的點云重疊率不得少于30%，困難地區(qū)不得少于15%。

3.3 成果輸出

Trimble SX10 全站式掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)可以直接導入TBC軟件，保存為清華三維EPS軟件可以直接導入的格式文件。

4 應用實例

上海某區(qū)有一處新建廠房委托我司進行規(guī)劃核實，基地面積25 289 m2，新建10層工業(yè)廠房1棟，建筑面積33 302 m2;新建門衛(wèi)1棟。該公司使用Trimble SX10 全站式掃描儀結合實際，從而探索掃描儀在規(guī)劃核實地形測繪中應用的可能性;同時將掃描數(shù)據(jù)與部分全站儀測量數(shù)據(jù)、建筑物邊長量測數(shù)據(jù)進行比對分析，從而獲得全站式三維激光掃描技術提取建筑物點、線精度。

4.1 作業(yè)步驟

根據(jù)上述作業(yè)流程進行外業(yè)數(shù)據(jù)掃描。1）控制點布設。2）控制點校核。3）架站（可自由設站，需要滿足后方交會測繪要求）。4）測站設置（設置掃描精度、分辨率、掃描時間）。5）開始掃描。6）重新架站（重復以上步驟3）～5），直至完成全部掃描工作）。

4.2 精度比對

通過表4、表5中的數(shù)據(jù)對比分析，可以發(fā)現(xiàn)使用全站式三維激光掃描儀掃描地形，根據(jù)點云數(shù)據(jù)繪制地形圖點位中誤差在2 cm左右，邊長中誤差在1 cm左右，這2項指標都完全滿足上海市“兩圖融合”地形測繪的精度要求。

5 結論

在這個工程實例中，可以獲得以下4點。1）三維激光掃描儀能縮短工時，節(jié)省技術人員，實例中的項目常規(guī)作業(yè)方法需要4名技術人員1天到1天半的時間完成全部作業(yè);而使用激光三維掃描儀只需要3 h，而且1位技術人員帶1～2名技術輔助人員就可以完成。2）三維激光掃描儀基本零返工，它可以將現(xiàn)場搬回辦公室，隨時都可以對數(shù)據(jù)進行檢測。3）Trimble SX10 全站式掃描儀可以自動拍攝照片，照片疊加點云，能夠清晰地反映實地。4）Trimble SX10 全站式掃描儀提取的建筑物特征點完全可以滿足地形圖點位精度要求。

高精度測量和高速度掃描結合使用，能夠快速記錄土地所有權測量的所有要素，包括地界位置、建筑物等。回到辦公室，技術人員可以直觀地看到工地全景和周圍元素，包括復雜結構，也可以從掃描數(shù)據(jù)和影像中容易地了解測區(qū)，無需進行工地重訪。

測量數(shù)據(jù)、高密度掃描數(shù)據(jù)和多重分辨率影像獨有和即時的組合，可以確保捕獲到最微小的細節(jié)，三維激光掃描技術勢必會得到更加廣泛的應用。

參考文獻

[1]田江博.三維激光掃描儀在日照測量中的應用[J].北京測繪，2020，34（1）：61-64.

[2]胡玉祥，李勇，張洪德，等.地面三維激光掃描技術在建筑立面測繪中的應用[J].城市勘測，2019（3）：87-91.