三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中的應(yīng)用

孫 肖

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅蘭州 730000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量方式中存在的不足。三維激光掃描技術(shù)可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)射出數(shù)十萬(wàn)個(gè)的點(diǎn)，以點(diǎn)云的方式表達(dá)三維空間幾何形態(tài)，采用高分辨相片技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體的三維正射影像，以三維圖像表達(dá)物體狀態(tài)，解決傳統(tǒng)技術(shù)中存在的各種測(cè)繪問(wèn)題，可有效提高工作的效率和質(zhì)量。本文針對(duì)三維激光掃描技術(shù)在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究，包括技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)等，探討三維激光掃描的實(shí)用性和有效性。

1 建筑規(guī)劃竣工測(cè)量技術(shù)指標(biāo)

1.1 測(cè)量精度要求

（1）平面精度。

根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖl(fā)展?fàn)顩r、建筑測(cè)繪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)格按照地理建筑物特征的精度要求將地物劃分成一類、二類、三類，各精度級(jí)別中存在較大的差異性。

（2）高程精度。

指房屋的高度精度在5 cm范圍以內(nèi)，地表高程標(biāo)記點(diǎn)中的存在的誤差在±5 cm以內(nèi)。

地物類別及精度如表1所示。

表1 地物類別及精度 單位：cm

1.2 測(cè)繪成果

（1）1∶500竣工地形圖；

（2）竣工測(cè)量規(guī)劃復(fù)核圖；

（3）竣工測(cè)繪總平面圖；

（4）1∶500套紅線地形圖；

（5）三維模型數(shù)據(jù)；

（6）竣工測(cè)量報(bào)告。

此次研究中的核心內(nèi)容為利用三維激光掃描技術(shù)中靜態(tài)掃描法，制作建筑竣工測(cè)繪中的相關(guān)文件的過(guò)程、方法。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 儀器及軟件

項(xiàng)目組的關(guān)鍵性人員采用型號(hào)為RIEGL VZ-400的激光掃描儀，該掃描技術(shù)屬于一種高精度的激光掃描儀。掃描過(guò)程中的掃描距離一般控制在30～160 m，掃描范圍通常為100°（垂直角度）×360°（水平角度）。

武漢大學(xué)與寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)學(xué)院研究出一種點(diǎn)云信息綜合處理平臺(tái)VR-CityScene的技術(shù)，即點(diǎn)云處理軟件。該軟件技術(shù)主要針對(duì)海量級(jí)別的城市，通過(guò)采用點(diǎn)云適應(yīng)簡(jiǎn)化方式計(jì)算，并建立三維激光點(diǎn)的一種云多分辨率結(jié)構(gòu)，外存點(diǎn)云存取機(jī)制，與GPU硬件相結(jié)合，可全面加速該技術(shù)的使用，并實(shí)現(xiàn)還量點(diǎn)云的實(shí)時(shí)性渲染，完成具有高效性的索引機(jī)構(gòu)技術(shù)。

通過(guò)設(shè)計(jì)并研發(fā)高效性的技術(shù)，包括點(diǎn)云管理、搜索引擎，有效解決海量點(diǎn)云技術(shù)操作過(guò)程中的各種難題，如自適應(yīng)抽稀、高精度自動(dòng)配準(zhǔn)、三維精細(xì)建模等。通過(guò)結(jié)合點(diǎn)云模型的測(cè)圖要素智能化提取、三維空間量測(cè)技，可優(yōu)化軟件技術(shù)，且可實(shí)現(xiàn)我國(guó)常用測(cè)圖技術(shù)的銜接和集成。

2.2 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

以三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的特點(diǎn)、操作技能、實(shí)際需求，設(shè)計(jì)作業(yè)流程圖。工作人員收集測(cè)區(qū)路勘的資料，根據(jù)資料內(nèi)容制定相關(guān)作業(yè)流程方案，以控制測(cè)量結(jié)果。

（1）為了實(shí)現(xiàn)良好的控制測(cè)量，工作人員應(yīng)準(zhǔn)備專業(yè)的儀器設(shè)備，在相關(guān)崗位上合理安排工作人員，技術(shù)人員采用激光掃描儀器完成外業(yè)測(cè)量工作。

（2）需要做好對(duì)控制點(diǎn)RTK的測(cè)量、水準(zhǔn)的測(cè)量、建筑外立面地形相片拍攝三維導(dǎo)線控制點(diǎn)的加密工作，進(jìn)而獲取外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)。

（3）工作人員在完成上述工作后，導(dǎo)出、配準(zhǔn)云數(shù)據(jù)全部，并制作全景球，制作過(guò)程中檢測(cè)數(shù)據(jù)不合格，需要重新控制測(cè)量；檢測(cè)合格可直接檢查點(diǎn)云的精度性、完整性。

（4）制作竣工地形圖、量取指標(biāo)參數(shù)，按照各種規(guī)格制定相應(yīng)的圖件，制作完成后進(jìn)行一、二等級(jí)檢查，檢查合格后進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收，經(jīng)檢查不符合標(biāo)準(zhǔn)，需要重新控制質(zhì)量，直至合格。

2.3 三維激光掃描方案

由于每個(gè)地區(qū)的特征存在差異，因此，在掃描方案的選擇上應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，需要全面結(jié)合已控制好的點(diǎn)分布特征情況。

（1）坐標(biāo)系掃描法。

掃描儀與靶標(biāo)在掃描的過(guò)程中均可以直接放置在設(shè)置好的控制點(diǎn)處，有利于縮減掃描流程，提高掃描效率，內(nèi)業(yè)通過(guò)借助已獲取的數(shù)據(jù)，確定點(diǎn)云絕對(duì)位置和方向。

（2）碎部控制掃描法。

這種方法的掃描儀在掃描的過(guò)程中無(wú)須架設(shè)在已知的控制點(diǎn)上，外業(yè)只需采用常規(guī)測(cè)量方式獲取云中的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，以獲取三維坐標(biāo)的具體位置。內(nèi)業(yè)可直接采用各站之間的同名碎部控制，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的額配準(zhǔn)和定向。

（3）靶標(biāo)配準(zhǔn)法。

在掃描的過(guò)程中無(wú)須將其控制在已知的控制點(diǎn)上，通過(guò)相鄰兩站間4個(gè)以上的靶標(biāo)，確定相鄰兩站間的具體的關(guān)系位置，在實(shí)際操作過(guò)程中只需取少量的碎部控制點(diǎn)。內(nèi)業(yè)通過(guò)同名靶標(biāo)球完成對(duì)相鄰站點(diǎn)云的匹配標(biāo)準(zhǔn)，可直接確定整體點(diǎn)云的絕對(duì)方向。

通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)感和弱感進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量區(qū)域附近可發(fā)現(xiàn)明顯的控制點(diǎn)情況、實(shí)際測(cè)量區(qū)域范圍的大小，可根據(jù)上述多種因素和內(nèi)容，制定具有時(shí)效性的作業(yè)方案，以滿足外出作業(yè)時(shí)間段、點(diǎn)云數(shù)據(jù)全面、操作流程簡(jiǎn)單化等要求。

2.4 掃描儀器配備及組裝

三維激光掃描外業(yè)掃描儀器、相關(guān)設(shè)備主要包括三維激光掃描儀、發(fā)電機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、靶標(biāo)球等。該設(shè)備和儀器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了完成外業(yè)儀器的架設(shè)和轉(zhuǎn)站，項(xiàng)目的相關(guān)人員需要完成自主化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，確保推車的組裝、外業(yè)作業(yè)可順利進(jìn)行。

2.5 數(shù)據(jù)處理及成果制作

（1）初步點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

利用RIEGL VZ-400商業(yè)軟件RiscanPro技術(shù)按照相關(guān)配備流程完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，在實(shí)際操過(guò)程中為了滿足二維成圖的設(shè)計(jì)需要，實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)理念，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、抽稀處理。合并、抽稀軟件是在武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院與寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院共同研究開(kāi)發(fā)的新型技術(shù)，是目前應(yīng)用領(lǐng)域較廣泛的技術(shù)，應(yīng)用成績(jī)良好。

（2）二維成圖方法。

采用VR-CityScene軟件的特征和優(yōu)勢(shì)，可直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中描繪建筑整體的輪廓線，并看到具體的實(shí)物情況，獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息均在第一時(shí)間手動(dòng)導(dǎo)入CAD軟件中。

①點(diǎn)云的頂視圖。

可直接進(jìn)行描繪，主要適用的范圍為外輪廓較為規(guī)則的建筑測(cè)繪中，在實(shí)際操作過(guò)程中主要包括取點(diǎn)方式、描線方式。

②切片繪制。

這種方法更細(xì)致化、具體化，適合應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜的建筑物中，建筑整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物，無(wú)法直接采用頂視圖的方式，判斷建筑物輪廓線，需要采用切片繪制的方式描繪建筑物輪廓線，通過(guò)截取建筑某個(gè)特定層次中的橫截面，描繪該層次的輪廓線，預(yù)判和分析建筑物的具體形象。

③地形繪制。

若點(diǎn)云比較稀松，無(wú)法準(zhǔn)確判斷建筑兩旁道路的邊線、攝像頭、路燈等，需要根據(jù)高程特性選擇合適的高程空間完成高層的偽裝彩色渲染，有利于更準(zhǔn)確判斷繪制的對(duì)象。

（3）成果資料制作。

根據(jù)已繪制成型的二維測(cè)區(qū)地形圖，結(jié)合建筑規(guī)劃的許可證附圖、規(guī)劃審批材料等內(nèi)容，設(shè)置具有實(shí)效化的竣工測(cè)量規(guī)劃復(fù)核圖、竣工測(cè)繪總平面圖、1∶500套紅線地形圖等，可明確建筑項(xiàng)目、周圍情況，為后期相關(guān)工作的開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，為多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展與建設(shè)創(chuàng)造了有利的條件。本文通過(guò)分析三維激光掃描技術(shù)在建筑竣工測(cè)量中應(yīng)用，研發(fā)出一種高效可行的操作方案，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中取得了較好的成績(jī)。靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)存在搬運(yùn)困難等特征，在實(shí)際運(yùn)用之前需要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作。為了確保該技術(shù)可在建筑規(guī)劃測(cè)繪部領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)建筑行業(yè)的健康發(fā)展，相關(guān)企業(yè)需要借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，并進(jìn)行深入研究。