地面三維激光掃描技術在既有空間網架結構測繪中的應用*

劉 輝，趙榮欣，龔治國

(1.上海市建筑科學研究院有限公司上海市工程結構安全重點實驗室，上海 200032；2.奧來國信(北京)檢測技術有限責任公司，北京 101302)

0 引言

在既有空間網架結構安全性檢測評估中，結構竣工圖紙及原設計圖紙等資料的完備，是整個項目能夠順利開展的前提條件之一。當被檢測結構圖紙資料缺失時，需對整個網架結構進行測繪。由于網架結構屬于空間結構，形狀復雜多樣，且整個結構往往用作屋面圍護結構，凈空較高，如果采用登高的方式進行傳統手工測繪，作業安全性及效率無法保證。目前，常采用全站儀進行測繪[1-2]，通過在樓地面設站，對各球節點表面進行測量，得到相應坐標信息，進而完成整個網架測繪工作。全站儀測繪效率、安全性均較高，但無法直接測得球節點形心坐標。如果通過多次測量球節點表面坐標推算形心坐標，誤差較大，效率較低。由于球節點、桿件直徑難以測量，且作業方式為單點測量，使整個現場測繪效率較低。

三維激光掃描技術是以測量學科技術、圖形圖像處理技術和儀器光電子技術為基礎的綜合性測繪測量技術[3-4]，具有作業安全、效率高、精度高、非接觸、速度快、數據量大等特點，其面測量的方式可大幅度提高現場測繪數據采集效率，已在礦山測量[5-6]、隧道工程測量[7-8]、古建筑保護[9-10]、建筑物外立面檢測[11-12]中得到廣泛應用，尤其適用于手工測繪受限、測繪規模大的情況。將三維激光掃描技術應用于空間網架結構測繪中，以提高測繪工作效率和安全性，并通過點云數據進行球節點、桿件擬合，以解決球節點形心坐標、桿件直徑等難以獲取的問題。

1 工程概況

某體育館采用大空間設計，體育場館部分為1層，屋面支承為大跨度空間網架結構(見圖1)，辦公部分為3層，樓屋面為現澆混凝土結構。體育館東西向總長約41.4m，南北向總寬約40.4m。由于體育館空間網架結構圖紙缺失，需進行實地測繪。

圖1 體育館空間網架結構

2 空間網架結構測繪

2.1 外業數據采集

外業數據采集主要包括點云數據采集和紋理信息數據采集。點云數據作為內業繪圖的依據，其完整性、準確性至關重要。紋理信息映射是將被掃描物體上的照片映射到點云上，使作色后的點云還原被掃描物體真實色彩。不同于歷史建筑測繪，空間網架結構測繪對色彩、紋理細節的要求較低，現場獲取紋理信息主要為了便于內業對各測站點云數據進行手動配準。當各測站點云數據利用計算機進行自動配準時，為提高現場作業效率，可省略現場紋理信息數據的采集。在點云數據現場采集過程中，關鍵技術指標是點云密度，工程實踐表明，球節點及桿件表面點云密度對保證截面尺寸擬合效果至關重要。點云密度過大會影響后期數據處理效率，因此，應在保證點云密度滿足實際工作需求的情況下，綜合考慮掃描儀精度、被掃描桿件尺寸、作業有效范圍等因素，合理選擇掃描分辨率。

掃描設備采用徠卡C10型三維激光掃描儀，該儀器支持300m遠距離掃描，視場角為360°×270°(水平×垂直)，掃描速度為50 000點/s，掃描分辨率優于20mm/100m，點位精度為6mm/50m，各項技術參數均滿足本工程測繪需要。

對掃描工況進行設計，根據現場踏勘結果，查找實際空間網架結構中對應建筑平面圖上①～⑥軸及?～?軸的范圍，為較完整地采集整個空間網架表面坐標，在體育館室內地面均勻布設8個測站，分別為②～⑤軸與，軸交點處，配準標靶采用4個直徑為76.2mm藍白平面標靶，高低錯落地布設在①，⑥軸與?，?軸交點處，如圖2所示。掃描儀在各測站進行全景掃描后，分別對4個配準標靶進行高精度掃描，由于各測站掃描數據未線性傳遞，可在最大程度上保證整體點云數據的配準精度。

圖2 測站與配準標靶布設示意

采集現場數據，在測站1處進行預掃描，掃描分辨率預設為5mm/100m，掃描模式為全景掃描，預掃描結束后立即對點云數據進行檢查，確定了本次掃描范圍內的球節點及桿件上的點云密度，可滿足確定空間網架結構軸網系統及球節點、桿件截面尺寸的要求。按照測站1的掃描參數，分別在另外7個測站處繼續掃描，各測站均通過現場布設的4個標靶進行配準，最終形成同一坐標系下的完整點云數據。

2.2 內業點云數據預處理

除目標掃描物空間網架結構外，經配準融合后的點云數據中仍存在大量無關數據，需利用點云數據處理軟件進行去噪和消冗。首先通過手動方式對目標掃描物以下的點云數據進行整體刪除，保留空間網架結構及屋面板底面的點云數據。由于空間網架結構上、下弦平面均為弧面，且與屋面板聯系緊密，難以采用手動及自動的方式進行去噪。通過對屋面板點云數據進行俯視觀察(見圖3)，可以發現屋面板點云數據疊加在空間網架結構點云上后，不影響空間網架結構球節點及桿件的清晰度，因此內業繪圖工作可以正常進行。為提高工作效率，未對屋面板底及空間網架結構下弦桿上的燈具點云數據進行去噪。

圖3 去噪后空間網架結構點云俯視圖

2.3 空間網架結構平面圖繪制

空間網架結構軸網系統采用直接臨摹法確定，主要步驟如下：①在點云處理軟件中將空間網架結構空間點云坐標沿長邊方向自西向東設置為x軸正向，與原建筑平面設計圖軸網系統x軸正向一致；②將經去噪、消冗、坐標轉換后的點云數據正射投影至繪圖軟件中；③采用交互式繪圖方式確定網架下弦軸網系統，在點云處理軟件中，對網架下弦桿點云分布進行觀察，找到繪圖軟件中經正射處理后的點云相應位置，利用繪圖軟件中的“直線”命令，在下弦桿中心位置臨摹桿件并逐一進行標注，形成空間網架結構下弦桿分布平面草圖；④依據法式測繪原則，對空間網架結構下弦桿分布平面草圖標注尺寸進行規整，在點云處理軟件中，通過觀察空間網架結構與室內柱的位置關系，并參考原建筑設計圖紙軸號確定空間網架結構軸號，繪制球節點及空間網架下弦桿分布平面圖；⑤參考步驟③，④，繪制球節點及空間網架結構上弦桿分布平面圖；⑥融合球節點及空間網架結構上、下弦桿分布平面圖，連接上、下弦桿節點繪制腹桿，形成完整的空間網架結構分布平面圖。

確定空間網架結構球節點及桿件截面尺寸的步驟如下：①通過點云處理軟件，肉眼觀察球節點及桿件點云尺寸，找出點云分布規律，將球節點及桿件按尺寸規格進行初步分類，初步分類結果標注在球節點及桿件分布平面草圖中。②根據初步分類結果，采用點云數據擬合計算法，通過點云處理軟件截取球節點及桿件點云進行擬合，形成封閉完整的桿件模型，讀取模型參數，從而得到球節點及桿件截面尺寸，如圖4所示。③查漏補缺，并根據實際擬合結果修正球節點及桿件規格尺寸，完成空間網架結構上、下弦桿及腹桿等的測繪，如圖5～7所示。圖5中S1～S7分別表示直徑為63～65，71～72，80～81，84～85，94～96，118～119，143～144mm的上弦桿，SD1～SD4分別表示直徑為100，110，120，140mm的上弦球節點。圖6中X1～X4分別表示直徑63～65，79～80，93～94，118mm的下弦桿，XD1～XD6分別表示直徑100，110，120，130，150，160mm的下弦球節點。圖7中F1，F2分別表示直徑63～65，80～81mm的腹桿，圖中未標注的腹桿均為F1。④對誤差進行評估，通過點云處理軟件，對現場放置的各類標準構件截面尺寸進行擬合計算，并對檢測結果進行誤差分析，結果表明誤差范圍為0～3mm，滿足本工程測繪精度要求。

圖4 球節點及桿件尺寸擬合計算

圖5 空間網架結構上弦桿平面測繪

圖6 空間網架結構下弦桿平面測繪

3 結語

1)采用地面三維激光掃描儀對空間網架結構進行現場掃描，為提高現場作業效率，可省略現場紋理信息數據采集過程。在點云數據現場采集過程中，關鍵技術指標是點云密度。在空間網架結構掃描過程中，應在保證點云密度滿足實際工作需求的情況下，綜合考慮掃描儀精度、被掃描桿件尺寸、作業有效范圍等因素，合理選擇掃描分辨率。

2)通過內業點云處理軟件和繪圖軟件進行交互式空間網架結構下弦桿分布平面草圖繪制，草圖數據經法式測繪原則規整后，可還原空間網架結構設計軸網尺寸、桿件分布及截面尺寸。

3)采用點云數據擬合計算法，對現場放置的各類標準構件截面尺寸進行擬合計算，并對檢測結果進行誤差分析，結果表明誤差范圍為0～3mm，滿足本工程測繪精度要求。

圖7 空間網架結構腹桿平面測繪