建筑物日照分析測(cè)量研究

陳永星 王蕾

鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450000

建筑物日照分析測(cè)量研究

陳永星 王蕾

鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450000

簡(jiǎn)述建筑物日照分析測(cè)量時(shí)代要求和技術(shù)方法現(xiàn)狀，介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理和發(fā)展，提出三維激光掃描技術(shù)與日照分析測(cè)量相結(jié)合的技術(shù)話題。

日照分析；全站儀；三維激光掃描儀；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

Abstract

the building sunshine analytical measurement requirements and technical method of3D laser scanning technology, introduces the work principle and the development, proposed the 3D laser scanning technology and sunshine analytical measurement combining technical topics.

Keywords

the sunshine analysis；tachometer；3 d laser scanning；the point cloud data

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)生活環(huán)境的質(zhì)量要求越來越高，建筑物采光問題成為城市規(guī)劃發(fā)展中投訴的焦點(diǎn)。長(zhǎng)期以來，因?yàn)槿照詹晒舛鹈苌踔翆?dǎo)致法律糾紛的事件屢見不鮮，這些大多是由于在設(shè)計(jì)或?qū)彶殡A段日照分析得不夠科學(xué)準(zhǔn)確的原因。日照分析涉及到時(shí)間、地域、建筑造型等多種復(fù)雜因素，要將這些相互影響的因素綜合起來進(jìn)行人工精確計(jì)算分析是非常困難的。而隨著城市化的進(jìn)程加快，城市規(guī)劃容積率也越來越大，建筑物越來越密集，很多地方因此造成的糾紛也越來越嚴(yán)重，城市規(guī)劃部門在建設(shè)規(guī)劃審批前對(duì)日照分析測(cè)量的要求就越來越高。

2 傳統(tǒng)日照分析測(cè)量方法

平面位置測(cè)量多為采用全站儀數(shù)字化測(cè)繪，建筑物標(biāo)高測(cè)量多采用普通水準(zhǔn)測(cè)量聯(lián)合全站儀三角高程測(cè)量，懸高測(cè)量或鋼尺量測(cè)等方法。這些常規(guī)的技術(shù)該文不再累述。

3 新方法新思路的探討

地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱“三維激光掃描系統(tǒng)”是繼GPS (Global Position System)技術(shù)以來測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。它突破傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的局限性，通過高速激光測(cè)量的方法，快速、精確、大量地獲取物體表面每個(gè)采樣點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，為科學(xué)準(zhǔn)確建立數(shù)據(jù)模型提供了一種全新的技術(shù)手段。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，它可以快速精確的獲取城市建筑物等三維幾何信息，為建設(shè)數(shù)字城市提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，具有重大的現(xiàn)實(shí)和歷史意義。

三維激光掃描儀是無合作目標(biāo)激光測(cè)距儀與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng),在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量,直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度,自動(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)算,獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最遠(yuǎn)測(cè)量距離一千多米,最高掃描頻率可達(dá)每秒幾十萬,縱向掃描角θ接近90°,橫向可繞儀器豎軸進(jìn)行360°全圓掃描,掃描數(shù)據(jù)可通過TCP/IP協(xié)議自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),外置數(shù)碼相機(jī)拍攝的場(chǎng)景圖像可通過USB數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸?shù)诫娔X中。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后,結(jié)合CAD可快速重構(gòu)出被測(cè)物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。

圖1 地面三維掃描儀

點(diǎn)云坐標(biāo)測(cè)量原理如下圖所示。被測(cè)點(diǎn)云的三維坐標(biāo)在三維激光掃描儀確定的左手坐標(biāo)系中定義,XOY面為橫向掃描面,Z軸與橫向掃描面垂直。

圖2 點(diǎn)云坐標(biāo)測(cè)量原理圖

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三部分組成:掃描儀、控制器(計(jì)算機(jī))和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng),同時(shí)也集成CCD 和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器通過兩個(gè)同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn),將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測(cè)區(qū)域,測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間(或者相位差)來計(jì)算距離,同時(shí)內(nèi)置精密時(shí)鐘控制編碼器,同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值θ,因此任意一個(gè)被測(cè)云點(diǎn)P的三維坐標(biāo)為:

激光掃描系統(tǒng)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)除了兩個(gè)角度值和一個(gè)距離值，還有掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度I，用來給反射點(diǎn)匹配顏色。拼接不同站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)時(shí),需要用公共點(diǎn)進(jìn)行變換,以統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，公共點(diǎn)多采用球形目標(biāo)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)以某種內(nèi)部格式存儲(chǔ), 因此用戶需要廠家專門的軟件來讀取和處理,OPTEC 的ILRIS-3D 軟件,Cyrax 2500的yclone 軟件,LMS-Z420 的等都是功能強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件, 它們都具有三維影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯、掃描數(shù)據(jù)拼接與合并、影像數(shù)據(jù)點(diǎn)三維空間量測(cè)、點(diǎn)云影像可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。

我們知道傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取主要有:單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)的方法，如GPS 高精度定位、三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、全站儀系統(tǒng)等;基于光學(xué)攝影測(cè)量原理的近景攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量等。三維激光掃描技術(shù)與全站儀等單點(diǎn)采集三維數(shù)據(jù)的方法相比：

（1）對(duì)被測(cè)目標(biāo)要求不同。全站儀要只能測(cè)量反射棱鏡所在位置的點(diǎn)位坐標(biāo)，被測(cè)物體必須是棱鏡能夠到達(dá)的地方，難以對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域或測(cè)量人員難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。而三維激光掃描不需要接觸被測(cè)物體就可以工作。

（2）對(duì)觀測(cè)環(huán)境的要求不同。全站儀因?yàn)樾枰闇?zhǔn)棱鏡，必須在白天或者較明亮的地方進(jìn)行測(cè)量。而三維激光掃描測(cè)量可以全天候的進(jìn)行測(cè)量。

（3）測(cè)量精度不同。三維激光掃描儀和全站儀的單點(diǎn)定位精度都是毫米級(jí)的，三維激光掃描儀的定位精度比全站儀略低，但是目前部分全站式三維激光掃描儀已經(jīng)可以達(dá)到全站儀的精度，滿足日照分析測(cè)繪的精度是足夠的。

（4）獲取數(shù)據(jù)的量不同。全站儀只能夠有限度的獲取目標(biāo)的特征點(diǎn)。

而三維激光掃描儀可以獲取高密度的觀測(cè)目標(biāo)的海量數(shù)據(jù)，采樣速率高，對(duì)目標(biāo)的描述細(xì)致。

在日照分析測(cè)繪中，利用三維激光掃描儀獲取的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù), 然后提取得到建筑物較為精確的邊界，從而確定建筑物的整體輪廓。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，求出平面之間的交點(diǎn)，得到建筑物的頂點(diǎn)坐標(biāo)，在AutoCAD軟件中可以將這些頂點(diǎn)顯示出來，得到建筑物的總體輪廓線，以此進(jìn)行三維建模，獲取建筑物的三維數(shù)字虛擬仿真模擬。規(guī)劃建筑的平面位置圖、層高、總高、室內(nèi)外高差、戶型圖等數(shù)據(jù)從項(xiàng)目委托方獲取。獲取數(shù)據(jù)之后，檢查數(shù)據(jù)的的完整性和真實(shí)可靠性，根據(jù)甲方提供的規(guī)劃建筑的平面位置及高度數(shù)據(jù)建立模型；計(jì)算規(guī)劃區(qū)域新建高層建筑的客體建筑范圍。

基于現(xiàn)今三維激光掃描技術(shù)特別是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)和軟件尚不成熟，三維激光掃面儀動(dòng)輒數(shù)十萬甚至百萬的價(jià)格，在城市日照分析測(cè)量中作為一種常規(guī)方法尚不現(xiàn)實(shí)。但是作者深信隨著技術(shù)的發(fā)展，儀器生產(chǎn)成本的下降和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)的完善，三維激光掃描儀將在城市規(guī)劃測(cè)繪技術(shù)中得到更多的應(yīng)用。

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陳永星(1983-),男，助理工程師，主要從事城市測(cè)量工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.018