三維激光掃描技術在異形建筑竣工測量中的應用

聶飛 肖琦

（1.江西省地質局地理信息工程大隊，江西 南昌 330001；2.江西省地質局第四地質大隊,江西 萍鄉 337055）

1 引言

竣工測量是指在建筑物新建、擴建、改建過程后，對建筑的相關位置、實際面積等進行的測量工作[1]。近年來，隨著城市化進程的加快，以及施工工藝的快速發展，越來越多的異形建筑出現，異形建筑在給人們帶來視覺享受的同時，也給竣工測量工作帶來了挑戰[2]。傳統竣工測量作業方式主要包括全站儀數字測圖、GPS-RTK 測量、手持測距儀和鋼尺直接測量法等，這幾種作業方式都是通過獲取有限的特征點數據來繪制建筑平面、立面和剖面圖等竣工測量成果，雖然簡單有效，但僅適用于形狀較簡單的建筑物。異形建筑由于形狀不規則，僅靠有限的特征點數據來繪制相關圖件非常困難，因此尋找一種高效快捷的竣工測量方法是當前急需解決的問題。三維激光掃描技術是繼GPS 之后興起的又一次技術革命和創新，其采用非接觸的測量方式可全自動、高精度地獲取物體表面的密集點云數據，后期結合相關軟件可高效快捷地獲取異形建筑的竣工測量成果，將其應用于異形建筑竣工測量具有非常大的優勢。

2 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是于上世紀90 年代中期發展并逐漸成熟起來的一項高新技術，其原理和全站儀測距測角類似，不同點在于傳統方式是通過單點逐一測量物體的坐標，而三維激光掃描技術無需接觸測量目標，通過發射連續激光束就可快速獲取物體表面的密集點云數據，參照配套相機采集的紋理和色彩信息，再利用相關軟件就可以大面積、高分辨率地復建出被測物體的三維空間模型，從而實現了從點測量到面測量的跨越，因此它又被稱作為“實景復制技術”[3]。三維激光掃描儀采集到的點云數據是以掃描坐標系為基準的，掃描坐標系的定義為：以發射激光束處為該坐標系原點，X軸為掃描儀水平轉動軸的零方向，Z軸為掃描儀水平時的天頂方向（理論豎直軸），Y軸與X軸、Z軸成右手坐標關系[4]，三維激光掃描技術測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術測量原理

3 實例分析

3.1 項目概況

某項目包括容納兩棟辦公的塔樓、配套商業裙房、地下車庫及城市綠地等功能，總建筑面積約8.6 萬m2。該建筑物外形設計新穎前衛，屬于典型的不規則多邊形異形建筑，樓層錯落有致、傾斜交錯、樓體凹凸多變、層層堆疊（如圖2 所示）。整個建筑外墻多為鋁合金玻璃幕墻體系，利用全站儀設站測量很難準確測量各層建筑輪廓特征點，這給利用傳統測量方法開展竣工測量帶來了挑戰。

鑒于該項目的建筑特色，采用三維激光掃描技術進行竣工測量能夠快速有效地獲取建筑輪廓點云數據，再利用專業軟件Cyclone 對點云數據進行處理，編繪出竣工圖件并計算建筑面積。Cyclone 是徠卡公司推出的點云數據處理軟件，包括點云數據拼接、數據管理、協同作業數據后處理、數據發布、數據瀏覽等功能，是三維激光掃描產品的最佳伴侶。

圖2 某異形建筑外觀

3.2 數據采集

（1）控制測量

選用項目周邊已有的為滿足施工控制測量布設的2 個二級導線點作為起始點，二級導線點的高程按照四等水準要求進行聯測。掃描線路布設成閉合導線，導線點位分布設在建筑物的周邊，考慮到兩棟高層建筑的頂部構造比較復雜，因此在建筑物的4 個拐角處選擇合適的角度設站，掃描控制網的布設如圖3 所示。布設好控制點后，利用CORS 網絡RTK 聯測已知二級導線點，經檢測平面及高程精度均滿足《城市測量規范》的要求后方可進行觀測，每個控制點均觀測兩次，取兩次觀測值的平均值作為終值，最終得到每個控制點在CGCS2000 坐標系下的平面坐標和高程，便于后期將掃描點云數據統一轉換到該大地坐標系下。

圖3 掃描控制網布設

（2）點云數據采集

點云數據的獲取采用華測Z+F IMAGER 5010C 地面高精度激光掃描儀，該掃描儀具有易攜輕量化、外業操作簡單、快速等優點，它使用極其纖細的近紅外線激光束，采用非接觸式快速獲取數據的脈沖式掃描機制原理，每秒發射最高可達110 萬點的纖細激光束，能獲取相對精度高、覆蓋范圍廣的點云數據，單站即能獲取一幢樓一個立面的點云數據。點云數據采集的具體步驟為：架設三維激光掃描儀、整平并設置適宜的高度、設置好掃描參數、將后視標靶架設在已知點、直接對待測立面進行掃描并獲取點云和影像數據。

3.3 點云數據處理

將采集到的點云數據導入Cyclone 軟件，點云數據處理主要有點云拼接、點云去噪、點云統一、點云輸出四個步驟。

（1）點云拼接

為保證建筑物表面點云配準的精度，采用序列拼接的方法，從第一站開始，將前兩站點云數據導入Cyclone，先利用兩站點云間4 個球形標靶進行初配準，再利用重疊點云進行ICP 配準。按照這種策略將9 站點云拼接完成后，首尾重疊處的點云相差在6mm 以內，滿足建模精度的要求。

（2）點云去噪

利用Cyclone 軟件手動去除點云中含有粗差的數據和無效的形體數據，這一過程屬于去噪處理，在Cyclone 軟件中打開拼接完成后的9 站點云總圖，通過旋轉、放大操作將點云調整到理想位置，根據需要在工具欄中選擇合適的工具去除噪聲點。

（3）點云統一

去噪后的點云數據在相鄰兩站點云重疊區域存在數據冗余，造成數據量增大、采樣間隔不一致的狀況，因此需要對點云數據進行重采樣，具體過程就是在保證點云數據質量的前提下，利用Cyclone 軟件壓縮點云的數據量，再對點云數據進行統一化處理，將多站點云合并成一個整體。

（4）點云輸出

將Cyclone 軟件預處理完成后的點云數據導出為特定格式，以便在點云成圖軟件中進行深加工，處理后的點云成果數據如圖4 所示。

圖4 處理后的點云成果數據

3.4 建筑平面圖繪制和面積計算

由于建筑物某些層的面積形狀是相同的，只提取有代表性的建筑層計算面積，下面以其中某層為例，說明橫切面提取及面積計算的方法。

（1）提取層模型。在Cyclone 軟件中用Rectangle Fence Mode 命令選取該層建筑物的點云數據，通過Copy Fenced to New ModelSpace 復制模型到新的模型空間，選取菜單欄中的Top View，從選取層的頂視圖可看到此層的粗略輪廓線。

（2）將特征層導入CAD。預先安裝Cloud-Worx 插件，CAD 軟件的菜單欄會自動出現Cloud-Worx 選項，利用Cloud-Worx 插件將Cyclone 軟件中的數據模型導入CAD，在CAD 菜單的三維視圖中選擇俯視，就可出現層模型的輪廓線。

（3）建筑平立面圖繪制。由于目標建筑物很高且樓層越往上拐角越多，從地面使用仰角掃描樓層的中部和頂部時，會出現一些拐角被遮擋而缺少點云數據的現象。為提高建筑物面積的提取精度，研究采用構造線的方法來彌補層模型不規則的地方，如直角處與對稱處，導入CAD 的建筑物輪廊線有缺少數據的部分，根據對稱性原則，可通過構造線方法，較好地還原建筑層的形狀和特征。用構造線對粗略輪廓線的所有邊都進行勾畫，可得到層模型比較精細的輪廓線，再用多線段對輪廓線進行繪制，可得到最終的建筑物精細平面圖。結合數碼相機獲取的高分辨率影像，利用CAD 進行建筑立面線劃圖的提取與繪制（如圖5 所示）。

圖5 建筑平立面圖

3.5 精度驗證

表1 全站儀實測坐標與三維激光掃描測量坐標對比

為了驗證本次竣工測量成果的質量，在建筑物上選取12 個特征點，分別用免棱鏡全站儀測量出所有特征點的坐標，將其結果與三維激光點云中量取的坐標值進行比較[5]，統計結果如表1 所示。從表1 統計數據可以看出，12 個特征點的平面位置誤差為0.012m，高程誤差為0.011m，滿足CJJ/T 8-2011《城市測量規范》關于城市建筑竣工測繪的相關精度要求。

3.6 效率分析

任務完成后，項目組將傳統竣工測量方法與利用三維激光掃描技術的生產效率進行了比較：在外業效率方面，利用GPS-RTK 和全站儀數字測圖的方法需要兩個人，用時3 天；而三維激光掃描技術不到1 天即可完成外業數據采集工作。在內業效率方面，傳統方法需要對數據進行展點，再跟草圖進行對比，最后繪制出成果圖；而三維激光掃描技術可以在導出數據后直接在點云上描繪，再經過簡單處理就可直接出成果圖，經比較，內業出圖效率比傳統作圖高出3 倍以上。總體來看，三維激光掃描技術和傳統測繪方法相比，生產效率至少提高了3 倍以上，應用效果顯著。

4 結束語

三維激光掃描技術具有掃描速度快、數據信息量大、精度高等優點，將其應用于復雜、不規則的異形建筑中能夠顯著提高竣工測量的工作效率，同時，還可提高規劃核實工作的準確性、科學性和高效性。但是，該技術在實際應用中依然存在一些問題，比如難以獲取到異形建筑物頂部的數據，而且遇到掃描對象為玻璃幕墻等反射率較低的建筑材料時，點云數據的質量不是十分理想，相信隨著儀器的不斷升級以及相關軟件功能的不斷完善，以上問題都會得到妥善解決，該技術必將具有廣闊的應用前景。