三維激光掃描儀在建筑物竣工測量中的應用研究

□ 莫師慧

竣工測量（規劃條件核實）是城市建設和發展中的一項重要工程。在建筑物施工完成后，開發商需提供一份竣工驗收資料給城市規劃管理部門，確保竣工驗收指標符合當初規劃設計要求。其中，建筑物竣工驗收的主要內容包括建筑物外圍邊長、建筑物一層外圍角點的平面坐標位置、建筑物±0.00標高、建筑物總高度及建筑物與周邊現狀道路的位置關系。

三維激光掃描技術在現實中也叫實景復制還原技術，它是一種精確度和準確度并存的三維掃描技術，對于現場各種各樣復雜的建筑均可以進行全方位的掃描。三維激光掃描技術不僅具有大范圍和高精準度的優勢，還可以在掃描后快速地獲取對象的三維信息，掃描完成后，通過電腦導入數據，便可以清晰地看到建筑物的三維信息，將現場如實地復制還原。此項高新技術是傳統的測量無法實現的，可以說三維激光掃描技術是測量技術的一次科技創新。

1 SLAM技術

移動測量技術的核心——即時定位與地圖構建技術（以下簡稱SLAM技術）。由于三維激光掃描技術需應用到SLAM技術，所以在此進行簡單介紹。SLAM技術是指移動掃描系統在一個陌生的環境下通過自身的感應器來進行自我定位和識別，同時還感應周邊的環境，并增量式地創建地圖。由此可見，SLAM技術是通過自身的感應器對空間數據進行定位、解算和匹配，移動測量設備的測程越遠，視角越廣闊，它獲得的數據就越多，得到的誤差就越小，精準度就越高。

基于濾波器的方法和圖優化的方法為SLAM的兩大算法，濾波器的方法只對當前時刻的激光傳感器所獲取的數據進行解算，沒有對前面時刻的數據進行一起解算，所以它的自我定位和構建地圖精度較差。圖優化的方法則對它的初始時刻到當前時刻的所有數據進行全方位的解算，采用全局的優化和匹配方法進行解算和匹配，它的姿態不斷地被新的數據進行檢核和校正，精準度較高。

圖優化的方法主要由前端和后端兩個部分組成。前端是繪制圖和運算空間關系，而空間關系的建立主要有以下兩種方法：第一種是通過傳感器在移動設備掃描的相鄰時刻來獲取數據信息；第二種是通過閉合環來形成空間約束，也就是傳感器又重新回到了原來的位置從而形成閉合環來構建空間約束信息。后端的作用則是優化，移動掃描系統通過前端不斷創建新的空間約束關系，后端不斷地對空間約束關系進行優化并且將優化好的數據提供給前端進行新的解算。通過前端和后端的互相合作，使移動掃描系統不斷更新自身的姿態和構圖。三維激光掃描精度取決于兩方面：一是空間特征和環境，空間特征和環境越簡單，采集精度越高；二是設計的采集路線和掃描儀的姿態，設計采集路線越合理，掃描姿態越穩定，采集精度越高[1]。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

賀院小區位于梧州市萬秀區西江三路18號，該小區總共有地上A、B、C、D4幢高層建筑物和2層地下室車庫。由于地上4幢高層建筑物外形簡單，所以采用全站儀實測建筑外圍特征點和手持測距儀進行邊長測量。而地下室外形比地上4幢高層建筑物要復雜，有些斜邊的柱子位置無法采用測距儀一次直接量取，且地下室內部結構復雜，存在較多的承重剪力柱和各類有功能的消防水池、消防控制室和人防區域等，若采用全站儀進行測量，通視則會成為問題。不通視就要支站，而支站越多，誤差積累就會越多，數據的精度就會降低，所以在內部環境比較復雜的地下室采用傳統的全站儀測量方法是一種挑戰。

2.2 作業流程

經過對本次工程地下室的內部環境分析和研究，采用徠卡BLK2GO手持三維激光掃描儀進行測量。主要技術參數：掃描的范圍0.500m～25m，掃描的速率42萬點/秒，視角為360°（水平方向）/270°（豎直方向），相對精度0.006～0.015m，絕對精度0.020m，角度精度30″/30″（水平/垂直），3D點精度：±0.003m/10m。在開始作業前，先做好作業流程設計：內部特征點測量—數據采集（三維激光掃描和測距儀測距）—內業數據處理—竣工圖繪制[2]。

2.3 外業數據測量

先在測區做好控制點，采用全站儀正鏡和倒鏡在地下室里確定支點，然后搬至地下室內，用全站儀測量地下室內部特征點和地下室標高，完成地下室的絕對定位。之后，便用徠卡BLK2GO手持三維激光掃描儀進行三維數據采集和測距儀進行邊長量取，所以本次工程安排2個小組進行作業。一組用BLK2GO手持三維激光掃描儀采用SLAM技術進行定位，初始需要選擇適合的空間環境和行走路線，然后將BLK2GO連接手機APP，通過手機現場查看掃描點云的二維平面視圖和三維點云視圖，可以清楚直觀地看到自己行走的路線和掃描進度。由于本次工程的地下室面積不算太大，負一層面積約為7800m2，負二層面積約為7500m2，而且負一層和負二層的外圍一樣，所以本次掃描共掃三站，負一層掃一站，負二層掃一站，負一層和負二層連接的車庫坡道掃一站。單獨掃描負一層和負二層，可以看出兩層外圍是否符合設計，負一層和負二層同時掃描就可以連接兩層的關系，確保兩層之間有數據交集，便于檢核和拼接。另一個小組用測距儀測量地下室內部邊長，通過用三維激光掃描儀和測距儀共同完成本次工程地下室的測量[3]。

2.4 內業數據處理

完成外業數據采集后，需要對點云數據進行處理。

（1）導入：Type_c線連接設備和電腦，打開Cyclone REGISTER 360軟件，新建工程，將點云數據導入。數據導入包含了點云的創建、真彩色附著，所以這一步的時間比較久。

（2）檢查與優化：數據導入完成后即是真彩色三維點云數據，無須其他數據處理，在Cyclone REGISTER 360軟件里面可以進行站點模式、切片模式、測站模式3種方式瀏覽查看點云數據。由于本次掃描了3站，所以在Cyclone軟件里面就會有3個點云模型，需要人工將這3個點云模型進行拼接。由于點云模型是三維的，所以有平面位置拼接和高程拼接。平面位置拼接采取先移動后旋轉的方式進行拼接。因為負一層和負二層是單獨掃描，所以兩層之間無法直接融合，需要先將負一層和負一層與負二層交集的點云模型拼接融合（先找一個特征點將兩個點云模型移動到一起，再選取一條盡可能長的邊進行旋轉拼接，初步拼接完成后應檢查其他角點和邊長的位置，對沒有拼接好的位置進行反復精細化調整，直至這兩個點云模型拼接完好再融合），再將單獨的負二層與其拼接融合，這樣就得到了3站融合的點云模型（見圖1）。

圖1 3站融合的點云模型

（3）完成和報告：本次工程的拼接精度為0.005m，滿足精度要求。一是輸出PTS格式點云文件，采用CloudCompare將PTS格式轉換成LAS格式；二是在清華山維EPS軟件將LAS格式轉換成PCD格式；三是加載PCD格式點云模型繪制竣工圖[4]。

2.5 成果精度評定

為了檢驗點云模型的精度，另外一個作業小組用測距儀量取了地下室內部的邊長，通過對數據分析，點云模型的邊長與測距儀實量邊長差值的絕對值范圍基本在0m～0.03m，點位中誤差為0.02m（見表1），沒有超出精度誤差要求，完全滿足建筑物竣工精度條件要求。

表1 三維激光掃描儀與測距儀邊長對照表

3 結語

采用全站儀、三維激光掃描儀和測距儀對賀院小區地下室進行竣工驗收測量，全站儀負責地下室的絕對定位，三維激光掃描儀和測距儀則用于測量地下室的邊長。利用三維激光掃描儀獲取地下室的三維數據，再結合測距儀測量每條邊的邊長數據作比較分析，三維激光掃描儀的測量精度完全滿足城市規劃驗收要求。三維激光掃描儀具有掃描高效率、數據信息量大、精度高等優點，并且可以將任何復雜的環境現場逼真地模擬出來，充分體現了該技術的實用性和科學性。隨著科技的不斷發展，三維激光掃描技術將會在竣工測量中得到更廣泛的應用。