三維激光掃描儀在建筑規劃驗收中的應用

朱龍軍，周雋

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

規劃驗收測量是針對規劃驗收而進行的一種核實測量。規劃驗收測量需要核實的內容相對較多，以重慶市建筑工程規劃驗收地形測量為例，主要包括以下內容：建筑條件點的驗測；建筑的±0層標高、屋頂標高、建筑制高點標高驗測；驗收建筑所在地塊及周邊 30 m范圍內現狀地形。

按照《城市測量規范》要求，在進行規劃驗收測量時，平面控制點的等級不應低于三級，高程為圖根高程，在控制點稀少地區，三級導線可同級附合一次；條件點應在三級點上測量2次，點位較差應在 ±50 mm內，成果取平均值，條件許可時也采用雙極坐標法、網絡RTK法測量；建筑物標高采用電磁波測距三角高程測量法時，應變換儀器高或覘標高測兩次，兩次測量的較差在 ±100 mm之內時，成果取用平均值。規劃驗收測量的精度要求為涉及規劃條件的地物點相對鄰近圖根點的點位中誤差不應大于 50 mm，地物點之間的間距中誤差不應大于 70 mm；其他地物點相對鄰近圖根點的點位中誤差不應大于 70 mm，地物點之間的間距中誤差不應大于 100 mm。地物點的高程中誤差不應大于 40 mm。

傳統測量方式進行建筑規劃驗收測量存在以下難點：建筑間距較小，且受現場施工影響，控制點布設困難，控制點的邊長難以達到三級要求；條件點需雙極坐標法測量且點位較差在 ±50 mm內，在兩個三級控制點上同時觀測一個條件點，現場實施難度大；規劃驗收測量需核實內容多，外業測量時間較長。

采用基于視覺跟蹤拼接和自由設站的三維激光掃描技術快速獲取項目的點云數據，然后對原始點云數據進行拼接、去噪、切片、提取特征點處理，并通過切片的點云數據繪制建筑輪廓線，經過外業驗證比對，各項精度均滿足規范要求。與傳統測量方式相比，利用三維激光掃描能極大提高建筑規劃驗收測量的效率。

2 技術路線

2.1 儀器簡介

徠卡RTC360三維激光掃描儀由三維激光掃描頭、3個HDR相機和內置慣導系統組成，還配置了工作時架放儀器的三腳架和方便查看數據的平板電腦，腳架每邊分為四節，可根據高度需求自由縮放；外業數據采集時可通過平板電腦實時查看數據和點云拼接情況。

徠卡RTC360三維激光掃描儀同其他掃描儀相比具有以下優點：操作簡單，儀器無須整平，一鍵式操作；外業作業時間短，掃描速度高達200萬點每秒，單站掃描加拍照最快只需 2 min；智能拼接，基于VIS視覺追蹤技術，實時計算連續站點間的相對位置，提供精確點云拼接。

采用RTC360三維激光掃描儀進行建筑規劃驗收測量，其作業流程主要分為前期準備、數據采集、數據預處理、點云測圖、精度檢查5大部分，如圖1所示。

2.2 前期準備

前期準備工作分為實地踏勘、路線規劃和布設控制3個步驟。前期通過對測區地形情況的了解，初步規劃好測站架設位置和完成控制點的布設。測區一般布設5個控制點，其中測區4個角各一個，測區中心一個，根據場地大小可加密布設控制點。在布設控制點前應在高等級控制點上對儀器進行檢核，平面位置較差絕對值不應大于 5 cm，高程檢核較差不應大于 7 cm。按照規范要求，建筑規劃驗收測量的控制點為三級控制點。

圖1 作業流程

2.3 數據采集

數據采集階段分為架設測站、掃描標靶和數據檢查3個步驟。根據前期準備工作中規劃好的掃描路線，逐站架設三維激光掃描儀進行掃描，相鄰測站間的距離宜保持在 15 m左右，保證相鄰測站間的點云重疊度在30%以上。在掃描過程中可以根據項目的需求選擇點云密度，有低、中、高三個等級可供選擇。如果需要獲取點云的RGB信息，可以選擇拍照功能。在每一站掃描完成后可以通過平板電腦檢查數據質量和拼接情況。因為最終需要的成果是地方獨立坐標系，所以需要對控制點進行掃描，方便數據處理時對坐標進行轉換。在對控制點進行掃描時，需要將掃描儀架設在離控制點 7 m以內，保證后期數據處理時正確識別標靶，記錄每個標靶的高度。

2.4 數據預處理

數據預處理分為點云拼接、添加控制點和數據輸出3個步驟。數據預處理是在Cyclone Register 360軟件中進行的。點云拼接是將具有重疊點云的兩個測站拼接到一起，每一棟建筑的連接線都應閉合，最終使所有的連接線形成一張由多個閉合多邊形組成的網。Cyclone Register 360軟件提供了兩種點云拼接方法：一種是在平面視圖和高程視圖上分別使用平移、旋轉進行拼接；另一種是通過選取3個公共點進行拼接。當點云拼接精度滿足要求后，需要將點云轉換到地方獨立坐標系。在進行坐標轉換時，首先將控制點導入到項目中，然后把標靶名稱改為對應的控制點名后進行坐標轉換。在完成點云拼接和坐標轉換之后，就可以輸出拼接報告和點云數據。Cyclone Register 360軟件提供了PTS、E57和PTX等多種點云格式，可以根據需求進行選擇。

2.5 點云測圖

點云測圖分為點云去噪、點云切片、提取特征點和繪制建筑輪廓線四個步驟。點云測圖是在Trimble Realworks和清華三維EPS軟件中進行的。首先將拼接好的點云數據導入到Trimble Realworks軟件中，為了方便數據處理，需要對點云數據進行去噪處理，刪除項目范圍外的冗余數據；然后根據建筑物的實際情況，選擇合適的位置進行切片處理，切片的厚度設為8cm，并把切片點云以DXF的格式進行輸出；再在點云模型上選取每棟建筑的±0層標高、屋頂標高、建筑制高點、房角點，并結合項目竣工圖制作高度表；最后將切片點云導入清華三維EPS軟件中，繪制建筑物的外輪廓線、添加屬性，完成竣工圖的繪制。

2.6 精度檢查

竣工圖測繪完成后需要對其平面、高程和邊長精度進行檢查。可以通過全站儀外業實測部分主要房角點、±0層標高、屋頂標高、建筑制高點來進行比較。

3 應用實例

3.1 項目概況

該項目是位于重慶市兩江新區的某個別墅小區，共有16棟建筑，均為3層，建筑高度約為 12.5 m，整個項目面積約為90畝，具體范圍如圖2所示。由于在進行建筑規劃驗收地形測量時該項目還沒有完全完工，測區范圍內主要以房屋為主，只有少量的綠化，遮擋情況較少，適合利用三維激光掃描儀進行測量。

圖2 項目范圍

3.2 數據采集

在本項目中共布設了5個三級控制點，每個控制點測量四測回，每個測回平面較差不超過 2 cm，高程較差不超過 3 cm，以保證控制點的精度。在使用RTC360三維激光掃描儀進行數據采集時共架設了86站，采用低密度、不拍照的掃描方式，外業采集時間約為 6 h。測站主要架設在房角、門廊、建筑凹陷處，測站間的距離控制在 15 m～20 m之間，保證采集到完整的點云數據。

3.3 數據處理

將掃描的點云數據和控制點數據導入到Cyclone Register 360軟件中。由于RTC360掃描儀具有VIS視覺追蹤技術，因此連續相鄰兩站一般是拼接好的，只需要在測站之間添加連接并對局部拼接精度不高的區域進行細微的調整，最終讓所有測站連成一張網，如圖3所示。當拼接完成后，對整個點云運用控制，將點云坐標轉換到地方獨立坐標系。最后將點云的拼接報告和點云數據進行輸出，部分點云拼接精度如表1所示。從拼接報告中可以看到，最大拼接誤差為 24 mm，最小的為 10 mm，控制點誤差最大為 3 mm，最小為 1 mm，滿足拼接要求。

圖3 拼接后點云

點云拼接精度統計表 表1

3.4 竣工圖測繪

將拼接好的點云數據導入到Trimble Realworks軟件中，可以看到整個測區的點云情況，如圖4所示。外業采集數據時，掃描了許多測區外的點云，為了減少數據冗余、方便后期處理，需要先將這部分點云刪除掉。在進行點云切片之前，需要將每棟建筑分割出來，各自放到一個文件夾里。在進行切片處理時需要選擇一個合適的高度，盡量避開門窗，獲取完整的外輪廓線，切片厚度一般設置為 8 cm。對獲得的切片文件需要先刪除內部多余的點，然后以dxf格式進行輸出。

建筑規劃驗收測量除了需要測量建筑的輪廓線外，還需要測量建筑的±0層標高、屋頂標高、建筑制高，直接在點云模型上選取每棟建筑物的特征點并結合項目竣工圖制作高度表。

將每棟建筑的切片文件導入到清華三維EPS軟件中，根據點云繪制房屋竣工圖，并添加樓層和高度信息。對于測區內的其他地物、地貌信息，可以直接在Trimble Realworks軟件中提取，最終將提取到的地物信息合并到房屋竣工圖中，經過圖面整飾，得到最終成果，如圖5所示。

圖4 點云模型

圖5 項目成果

3.5 作業效率對比

在本項目中對使用全站儀測量和三維激光掃描儀測量兩種不同的作業模式的作業時間進行了統計，其結果如表2所示。從表2中可以看出使用三維激光掃描儀進行測量可以大幅度縮減外業測量時間，雖然內業時間稍有增加，但總作業時間還是僅為傳統方式的二分之一。

作業效率統計表 表2

3.6 成果精度評定

為了檢查根據點云模型繪制的地形圖精度，使用徠卡TS09全站儀外業測量了部分主要房角、正負零標高、頂高、制高進行比較，其中平面點43個，高程點34個，分別進行平面和高程精度統計，如表3、表4所示。并選取了30條邊同測距儀測量結果進行比較，邊長精度統計結果如表5所示。

平面精度統計表 表3

高程精度統計表 表4

邊長精度統計表 表5

平面點位較差最小為0.4 cm，最大為 2.8 cm，點位中誤差為 1.33 cm。從圖6中可以看出，平面點位較差基本分布在 0 cm～3 cm內，滿足建筑規劃驗收測量條件點驗測精度要求。

圖6 平面精度分布

圖7 高程精度分布圖

高程最大誤差為3.9 cm，最小為 -3.8 cm，高程中誤差為 1.97 cm，并且高程較差基本分布在 -4 cm～4 cm內(圖7)，滿足建筑規劃驗收測量高程精度要求。

邊長較差中誤差為0.72 cm，從圖8中可以看出邊長最大誤差為 1.8 cm，最小為 -1.5 cm，并且邊長精度基本分布在 -2 cm～2 cm內，滿足建筑規劃驗收測量邊長精度要求。

圖8 邊長精度分布圖

4 結 語

采用基于視覺跟蹤拼接和自由設站的三維激光掃描技術進行建筑規劃驗收測量，可獲得高密度和高精度的點云，最終成果平面中誤差為 1.33 cm，高程中誤差為 1.97 cm，完全滿足建筑規劃驗測量的要求。在實際操作過程中也存在一些問題，為了獲得每棟建筑的完整點云，需要架設較多測站，當測區范圍較大的時候，數據量較大，數據導入、導出時間較長；RTC360掃描儀的有效掃描距離約為 70 m，這也限制了其只能在中低樓層使用。總體來看，采用基于視覺跟蹤拼接和自由設站的三維激光掃描技術進行建筑規劃驗收測量，可以極大程度地減少外業工作量，提高工作效率，同時確保了成果的準確性。