三維激光掃描技術(shù)在異形建筑規(guī)劃條件核實測量中的應(yīng)用

田澤海，楊友生，宋康明

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060）

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的飛速發(fā)展，城市中不斷涌現(xiàn)出代表城市綜合實力的異形建筑[1-2]。異形建筑即特殊形狀的建筑體，其建筑幕墻表面整體的形態(tài)呈曲面而表現(xiàn)出較為特殊的立面和空間效果，展現(xiàn)出極強的視覺沖擊力和感染力[3]。一幢幢造型各異的建筑給城市帶來了無限的吸引力，也對測量工作者提出了巨大挑戰(zhàn)，如何高效完成對其規(guī)劃條件的核實測量已迫在眉睫[4]。三維激光掃描技術(shù)，又稱實景復(fù)制技術(shù)，作為測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次重大技術(shù)革命[5]，能高精度、高密度、高速度和非接觸地獲取地物三維空間信息，近年來已在古建筑修復(fù)、文物保護(hù)、緊急服務(wù)業(yè)和測繪工程等領(lǐng)域大展身手。

行政審批速度決定了城市發(fā)展的高度，更能展現(xiàn)城市的“軟實力”[6-7]。為了加快規(guī)劃行政審批效率，本文將Trimble SX10三維激光掃描儀應(yīng)用于廣州市第三少年宮規(guī)劃條件核實測量中。結(jié)果表明，采用三維激光掃描技術(shù)不僅能高效獲取符合要求的規(guī)劃條件核實測量成果，而且能大大提高行政審批效率，為規(guī)劃部門工作者帶來極大的便利。

1 工程概況與技術(shù)路線

1.1 工程概況

廣州市第三少年宮（圖1）位于黃埔區(qū)大沙北路，由一棟主樓和一棟劇院組成，兩棟建筑通過空中連廊相連，規(guī)劃占地面積為28 022 m2，總建筑面積約為29 679 m2。廣州市第三少年宮毗鄰黃埔區(qū)圖書館，是粵港澳大灣區(qū)青少年素養(yǎng)教育創(chuàng)新聯(lián)合基地，建筑物外廓帶有曲面、斜面和退層，并有一定的傾斜角度，內(nèi)部設(shè)有中庭、開敞與半開敞的庭院空間，因此利用常規(guī)測量方法難以獲取建筑平面、立面信息數(shù)據(jù)等規(guī)劃條件核實測量的重要成果，而采用三維激光掃描技術(shù)就能很好地滿足測量要求。

圖1 廣州市第三少年宮

1.2 技術(shù)路線

本文結(jié)合廣州市第三少年宮建設(shè)項目，首先利用三維激光掃描技術(shù)獲取建筑物點云數(shù)據(jù)，并建立三維模型；再采用切片法獲取面積計算輪廓線；然后利用廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺進(jìn)行規(guī)劃條件核實面積計算；最后采用特性點提取技術(shù)進(jìn)行立面圖繪制。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 異形建筑規(guī)劃條件核實測量技術(shù)路線圖

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 控制測量

為了滿足建筑工程規(guī)劃條件核實測量的精度要求，以《衛(wèi)星定位城市技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，考慮到三維激光掃描儀作業(yè)仰角范圍，工程布設(shè)了6對網(wǎng)絡(luò)RTK控制點。施工單位提供的竣工圖顯示，兩棟樓的建筑高度（從室外地平線算起）分別為25.45 m和32.00 m，因此點位無需布設(shè)太遠(yuǎn)，即可完整掃描建筑底部和頂部。

2.2 點云數(shù)據(jù)采集

工程采用Trimble SX10三維激光掃描儀（圖3）獲取點云數(shù)據(jù)。它集立體測量、攝像和高速3D掃描于一體，在600 m范圍內(nèi)可清晰、高速地掃描量測，每秒可獲取26 600個點云數(shù)據(jù)。具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

根據(jù)少年宮外形特征，本次三維激光掃描主要采用單站絕對定位模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即將掃描儀設(shè)置在圖根點上，輸入相應(yīng)參數(shù)后進(jìn)行掃描。為了加快外業(yè)工作進(jìn)度，掃描站點平面坐標(biāo)和高程值通過廣州市連續(xù)運行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)（GZCORS）和廣州市似大地水準(zhǔn)面直接獲取[7]，這樣可幾乎在同一時間段獲取建筑點云信息和掃描站點信息。Trimble SX10三維激光掃描儀提供了粗略、標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)和超精細(xì)4種掃描模式，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況、建筑物形體等進(jìn)行選擇，本次工程主要采用精細(xì)模式進(jìn)行作業(yè)。

圖3 Trimble SX10三維激光掃描儀

表1 Trimble SX10三維激光掃描儀技術(shù)指標(biāo)

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由三維激光掃描儀直接獲取的點云數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、密度高且存在很多無效點云，因此需對其進(jìn)行預(yù)處理，主要包括點云去噪、修補、配準(zhǔn)等流程。

3.1.1 點云去噪、修補

外業(yè)采用三維激光掃描儀作業(yè)時，現(xiàn)場環(huán)境難免存在樹木、其他建筑物等干擾，將產(chǎn)生很多無效甚至“有害”點云。去噪是對點云最基礎(chǔ)的優(yōu)化過程，也是處理點云數(shù)據(jù)最重要的環(huán)節(jié)[2]，即將有效點保留、無效點剔除的過程，往往采用濾波器和人工交互的方式進(jìn)行。修補是對漏掃區(qū)域進(jìn)行補掃的過程，以確保建筑點云數(shù)據(jù)的完整性。

3.1.2 點云配準(zhǔn)

每個測站都有獨立的測量坐標(biāo)系，為了將所有有效點云統(tǒng)一在一個坐標(biāo)系中，需對多站的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，即點云配準(zhǔn)，主要包括粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)兩大步驟[7-9]。

在兩兩掃描站點之間至少選擇4個同名點，并根據(jù)同名點的幾何特征解算空間相似變換矩陣，再通過旋轉(zhuǎn)、平移完成點云的粗配準(zhǔn)。

式中，（XA,YA,ZA）和（XB,YB,ZB）為同名點在兩個掃描坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)；R為旋轉(zhuǎn)矩陣；T為平移矩陣[10-11]。

粗配準(zhǔn)完成后，由于配準(zhǔn)精度無法滿足工程要求，因此需要通過軟件進(jìn)行自動精確配準(zhǔn)，以提高配準(zhǔn)精度。當(dāng)滿足配準(zhǔn)誤差≤10 cm后，再進(jìn)行其他站點的配準(zhǔn)。廣州市第三少年宮最終點云配準(zhǔn)效果如圖4所示。

圖4 廣州市第三少年宮點云

3.2 平面圖繪制和建筑面積計算

工程利用點云切片法提取建筑物特征線，即根據(jù)工程實際情況，設(shè)計厚度適宜的切片對完成配準(zhǔn)的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行水平面切割，再通過點云數(shù)據(jù)提取的建筑物特征點構(gòu)建建筑物每一層的特征線，最后剖切出每一層的特征面，即可計算每一樓層的建筑面積[4,12]。

建筑面積的具體計算方法為：將每一層的特征面文件導(dǎo)入廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺，通過規(guī)劃條件核實測量模塊計算各樓層的建筑物面積，如圖5所示。廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺是廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院自主研發(fā)的，可實現(xiàn)繪制現(xiàn)狀地形圖成圖、規(guī)劃條件核實測量平面位置關(guān)系圖、立面圖等一體化作業(yè)，還可進(jìn)行規(guī)劃條件核實建筑面積自動構(gòu)面計算、報建與竣工規(guī)劃信息對比等，以實現(xiàn)項目報建與規(guī)劃條件核實對比、竣工成果一體化，既簡化了作業(yè)的中間過程和對其他軟件的成果轉(zhuǎn)換，又提高了作業(yè)效率。

圖5 整體和分層平面圖

3.3 立面圖繪制

立面圖正確繪制與否將直接影響規(guī)劃行政審批對樓宇退縮間距、日照間距的合理判斷。工程采用GeoMagic軟件對點云三維模型進(jìn)行主立面投影處理，通過編輯立面點云可獲得投影編輯完成后的立面點云數(shù)據(jù)；再將其導(dǎo)入廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺，結(jié)合數(shù)碼相機獲取的高分辨率影像，繪制建筑立面線劃圖。某一方向的立面圖如圖6所示，該方向立面圖的輪廓圖如圖7所示。規(guī)劃部門行政審批往往對圖7的建筑高度、外輪廓進(jìn)行核查即可。

圖6 建筑立面圖

圖7 建筑立面圖（外輪廓圖）

4 精度分析

少年宮外形復(fù)雜，利用全站儀無法或很難精確獲取所有樓層計算面積輪廓線，因此本文將施工圖計算所得的竣工面積與Trimble SX10三維激光掃描儀實測的建筑面積進(jìn)行對比（表2），同時將Trimble SX10三維激光掃描儀獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（表3、4）。

表2 竣工圖面積與Trimble SX10三維激光掃描儀實測面積對比表

表3 全站儀測量與Trimble SX10三維激光掃描儀實測點云平面坐標(biāo)對比表/m

表4 全站儀測量與Trimble SX10三維激光掃描儀實測點云高程坐標(biāo)對比表/ m

由表2可知，采用Trimble SX10三維激光掃描儀求取的建筑面積與施工圖計算所得的竣工面積的平均較差百分比為0.24%和0.44%，最大值為0.73%，最小值為0.11%，滿足規(guī)劃條件核實測量面積誤差＜1%的要求；由表3、4可知，全站儀和Trimble SX10三維激光掃描儀測取相同點的點位平面較差平均值為2.6 cm、高程較差平均值為2.8 cm，滿足規(guī)劃條件核實測量主要地物點平面坐標(biāo)、高程精度≤5 cm的要求。

5 結(jié) 語

本文以廣州市第三少年宮為例，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于面向規(guī)劃行政審批的異形建筑規(guī)劃條件核實測量中，采用點云切片法、主立面投影法對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，通過對建筑面積、點位坐標(biāo)和高程的對比分析，驗證了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑工程規(guī)劃條件核查測量的可行性。規(guī)劃部門工作者可充分利用獲取的三維模型快速了解需要規(guī)劃條件核實的建（構(gòu)）筑物整體輪廓、外觀，可提前了解現(xiàn)場實地檢查建（構(gòu)）筑物的相關(guān)信息，以便有針對性的檢查；同時切片法獲取的每層輪廓可加速工作人員核實面積的工作效率，提高規(guī)劃部門建筑工程行政審批的效率。