三維激光掃描技術在日照分析測量中的應用

李勝天 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

近年來，隨著我國國民經濟的快速增長，城鎮居民生活水平日益改善，人們對居住環境的要求有了進一步提高，住宅日照問題逐漸成為廣大市民關注的焦點[1]。同時，隨著城市化進程的加快，建筑物越來越密集，容積率也越來越大，很多地方因為日照問題造成的糾紛時有發生。因此，對審批建筑物與周圍已建或擬建建筑物進行科學準確的日照分析測量的需求越來越大，城市規劃部門在建設規劃審批前對日照分析測量的要求越來越高。日照分析測量涉及時間、地域、建筑造型等多種復雜因素，要將這些相互影響的因素綜合起來進行人工精確計算分析是非常困難的[2]。基于常規儀器的測繪手段存在外業工作量大、需手工制圖等不足，已經無法滿足現狀需求，急需一種快速有效的日照分析測量成圖技術來代替。本文以某建筑物為例，利用三維激光掃描技術獲取其表面的陣列式點云數據和幾何圖像，大范圍并快速地采集建筑物立面信息，為日照分析測量提供了一種全新的技術手段。

2 日照分析測量

日照分析測量的主要目的是分析待建建筑物對周圍擬建或已建的現狀建筑物可能產生的日照影響，提供科學準確的日照分析報告，是城市規劃部門審核設計方案的依據之一[3]。一般情況下，對于周圍擬建建筑物來講，日照分析所需的基礎數據可以從該建筑已批準的修建性詳細規劃資料中獲取；對周圍已建的現狀建筑物而言，日照分析所需的基礎數據必須做到實時、準確、可靠，這也是日照分析測量的重點所在。圍繞日照分析所需的基礎數據，日照分析測量工作主要包括以下內容：

（1）建筑平立面圖測量。現狀建筑物的平立面圖是進行日照分析的基礎，也是日照分析測量的首要任務[4]，主要包括建筑物拐點坐標的測定、建筑結構、建筑層數等。

（2）建筑高度測量。建筑高度是指室內地坪至遮陽點的垂直距離，是判斷建筑物之間是否產生日照影響的一個重要因素[5]。由于建筑的屋頂部分，包括凸出屋面的水箱、電梯間、構架等設施對日照采光產生影響，因此其自身高度應包含在建筑高度內。

（3）高程測量。日照分析時僅有建筑物的平面位置和建筑高度是不夠的，還必須結合建筑物所在位置的地面起伏狀況，因此必須測量建筑物的室內外地坪的高程。

（4）窗戶及陽臺位置測量。窗戶分析報表是日照分析報告的重要組成部分，同時對陽臺的影響也不可忽略，因此必須測量建筑物向陽面的窗戶及陽臺位置。 （5）建筑層高測量。建筑層高也是日照分析所必需的數據，建筑層高是指建筑室內凈高加上樓板厚度，一般情況下只需量取一層至三層的層高，特殊情況下需量取三層以上部分的層高。

3 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是20 世紀以來發展起來的一項高新技術，是利用激光進行高速、實時、自動獲取給定區域目標表面的三維坐標，屬于一種大面積高密度非接觸式主動測量技術[6]。在測量過程中，利用激光測距原理，激光發射單元從上到下、從左到右發射激光束，接收物體反射回的激光信號，通過計算脈沖或者相位時間差，推算出掃描中心距目標斜距，再配合同時記錄下的激光束的水平角、垂直角解算物體表面激光點的三維坐標，同時記錄激光點反射強度值，實現全自動陣列式掃描，其定位原理如圖1 所示。

圖1 地面三維激光掃描儀定位原理

由圖1 所示定位原理來看，地面三維激光掃描儀主要通過測距測角解算目標物體相對于儀器中心的三維坐標，類似于無棱鏡全站儀。在掃描過程中，以儀器中心為坐標系原點，激光掃描儀初始掃描方向固定為Y 軸，豎直方向為Z 軸，并以右手坐標系法則確定X 軸構建了掃描儀自身測量坐標系[7]。若測量過程中使用了標靶定向，還可將點云從掃描儀自身坐標系轉換到絕對坐標系下。

在式（1）中，D為所測儀器中心至目標點斜距，θ為所測垂直角，φ為所測水平角，通過式（1）即可解算出待測點的三維空間坐標X、Y、Z，從而獲得在同一空間參考系表達目標空間分布的點云。

4 項目實例

4.1 項目背景

南昌市紅谷灘區某地塊擬開發建設高層建筑物，其北側居住小區的部分沿街建筑物可能受到采光影響，需進行日照分析測量。該處沿街的建筑風格多樣、新舊不一、高低懸殊，給測量工作帶來一定的困難。考慮到利用傳統測繪方法施測難度較大，項目組決定利用三維激光掃描系統進行作業，并利用免棱鏡全站儀采集特征點的方式進行精度檢查。

4.2 工作流程

三維激光掃描技術在日照分析測量中的應用主要包括三個流程：外業數據采集、內業數據處理、立面模型建立與分析，具體流程如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描系統工作流程

4.3 外業數據采集

（1）標靶控制測量

結合日照分析測量的特點和周邊環境，并依據掃描的目的和精度要求，在建筑物的拐角處布置標靶控制點并用鋼釘做標志，保證測站之間兩兩通視，并確保與建筑物待測立面通視良好。布設好控制點后，利用CORS 網絡RTK 首先聯測周邊已知控制點，經校核無誤后方可進行觀測，每個標靶控制點均觀測兩次，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。

（2）點云和影像數據采集

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，部分建筑物影像如圖3 所示。

圖3 部分建筑物影像

4.4 內業數據處理

將采集到的點云數據導入和儀器配套的Recap 360 軟件中，點云數據處理主要有點云拼接、點云去噪、點云統一、數據導出四個步驟[8]。

（1）點云拼接

為保證沿街建筑物表面點云配準的精度，采用序列拼接的方法，即從第一站開始，首先利用前兩站點云間的2 個球形標靶進行初配準，然后再利用相互重疊的點云進行ICP 配準。同理，按照此方法將所有測站的點云數據拼接完成后，經檢測首尾重疊處的點云相差小于6mm，滿足相關規范的精度要求。

（2）點云去噪

利用Recap 360 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，在軟件中打開拼接完成后的所有點云總圖，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

相鄰兩站的點云數據在去噪以后存在大量的冗余，造成數據量增大、采樣間隔不一致的狀況[9]，因此需要對點云數據進行重采樣。具體過程就是在保證質量的前提下，再次利用Recap 360 軟件對點云進行統一化處理，同時將多站點云進行壓縮并合并成一個整體。

（4）數據導出

將Recap 360 軟件中預處理完成后的點云數據導出成特定格式，以便在點云成圖軟件中進行深加工，部分建筑的點云成果數據如圖4 所示。

圖4 部分建筑的點云成果數據

4.5 日照分析用圖制作

采用City Scene 點云處理軟件進行日照分析用圖的制作，主要步驟如下：

（1）讀入激光點云數據：打開City Scene 軟件，以反射率方式渲染待繪制立面的單站激光點云數據。

（2）建筑物特征點、線繪制：利用City Scene 軟件的點、線繪制工具，提取得到建筑物及窗戶較為精確的邊界或邊界特征點，從而確定建筑物的整體輪廓，將繪制的特征點、線導出成dxf 格式的文件。

（3）坐標平移糾正：將采用傳統方法測得的建筑立面單個特征點作為控制點，對從點云數據中提取的特征點進行整體平移，以提高成果精度。

（4）建筑平立面圖的編輯：將導出的dxf 格式文件導入到AutoCAD 中進行編輯，其中的建筑立面圖成果如圖5 所示，基于建筑平立面圖成果進行日照分析測量的各種基礎數據的量取。

圖5 建筑物立面圖

4.6 精度檢驗

為了驗證三維激光掃描系統作業成果的質量，選取建筑物的10 個特征點進行比較分析，分別用徠卡TCR402 免棱鏡全站儀測量出所有特征點的坐標，將其結果與在三維模型中量取的坐標值進行比較，統計結果如表1 所示。

表1 精度統計單位：m

從表1 統計數據看出，10 個特征點的平面位置最大誤差為0.045m，高程最大誤差為0.047m，滿足日照分析用圖的精度要求。

4.7 效率分析

將傳統日照分析測量方法與三維激光掃描系統的生產效率進行比較：在外業效率方面，利用GPS-RTK和全站儀測一幢普通民房需要兩個人，用時10 分鐘；而三維激光掃描系統不足1 小時就能完成約50 幢房屋的數據采集。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；而三維激光掃描系統可以在導出數據后直接在點云上進行描繪，再經簡單處理就可出成果圖。經比較，內業出圖效率比傳統作圖高出3 倍以上。總體來看，三維激光掃描系統和GPS-RTK、全站儀的測繪方法相比，生產效率至少提高了5 倍以上[10]，應用效果顯著。

5 結束語

三維激光掃描測量技術的出現，打破了傳統日照分析測量的局限性，它不再是利用皮尺、測距儀、全站儀等常規工具進行單點測量的模式，而是能對建筑物進行無接觸全方位的測量，使得日照分析測量工作更加快捷、數據獲取更加精確，為快速和大范圍測制建筑物幾何圖件提供了一種全新的技術手段。

隨著無人機平臺的發展成熟以及三維激光掃描設備的輕量化生產，基于無人機載的三維激光掃描技術也開始嶄露頭角[11]未來，同時利用多平臺三維激光掃描技術的一體化作業模式將使得日照分析測量更加高效快捷，屆時，三維激光掃描技術的應用將更加廣闊。