基于地面LiDAR的三維竣工測量方法研究

高志國，李長輝

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

1 引言

廣州新白云國際機場位于廣州市北部，白云區(qū)人和鎮(zhèn)和花都區(qū)花東鎮(zhèn)交界處，一期總投資逾200億人民幣，二期投資約75億人民幣，是我國首個按國際樞紐機場標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計的超大型樞紐機場，也是目前國內(nèi)規(guī)模最大、功能最先進(jìn)、現(xiàn)代化程度最高的國際機場，是全國三大樞紐機場之一。機場占地面積為15 km2，其中新機場一期航站樓(包括航站樓主樓、指揮塔部分、東一、東二指廊、西一、西二指廊及連接樓部分)面積有40萬m2，二期(包括航站樓附屬建筑物、東三、西三指廊及連接樓等)面積有28萬m2，總計建筑物驗收面積為68萬m2，如圖1所示。

圖1 廣州新白云國際機場航站樓設(shè)計效果圖

竣工測量是城市建設(shè)工程必不可缺的重要環(huán)節(jié)之一，其主要工作是準(zhǔn)確測定竣工建筑物的形狀、平面位置、高度尺寸以及與周圍建筑物、規(guī)劃道路、用地紅線的定界關(guān)系，其目的是為了編制工程竣工圖表、決算，對實際完成的各項工程進(jìn)行的一次全面量測工作［1］。它為建設(shè)工程規(guī)劃監(jiān)督驗收提供準(zhǔn)確的技術(shù)指標(biāo)，為進(jìn)一步提高規(guī)劃管理水平，增強城市規(guī)劃的科學(xué)性提供依據(jù)。三維竣工測量是在傳統(tǒng)竣工測量基礎(chǔ)之上，增加三維量測和模型制作，實現(xiàn)三維竣工圖的同步建立，以達(dá)到三維城市模型 (Three－Dimension City Model，3DCM)實時、準(zhǔn)確和動態(tài)更新的目的［1］。

地面LiDAR技術(shù)是一種快速獲取空間三維信息的新技術(shù)手段，使得空間數(shù)據(jù)的獲取從傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)采集向連續(xù)的密集型自動數(shù)據(jù)獲取技術(shù)轉(zhuǎn)變［2］，其在竣工測量中主要技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)為:①突破數(shù)據(jù)單點采集模式;②全方位、高精度、快速化、自動化、精細(xì)化測量;③成果效果真實、立體感強;④數(shù)據(jù)量大、產(chǎn)品豐富;⑤拓展竣工測量成果數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍等。為此，本文提出了基于地面Li-DAR的建筑物三維竣工測量新模式，并在廣州新白云國際機場航站樓三維竣工測量應(yīng)用中取得了較好效果，為該技術(shù)在三維竣工測量領(lǐng)域的廣泛推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2 三維竣工測量技術(shù)方案

鑒于廣州新白云國際機場航站樓項目面積大，精度要求高，設(shè)計獨特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于外業(yè)施測及成果圖制作，項目組都做出了精心策劃，綜合應(yīng)用激光測距儀、全站儀、激光LiDAR等多種儀器設(shè)備對機場航站樓及附屬設(shè)施進(jìn)行竣工測量。主要內(nèi)容包括:平面控制測量、高程控制測量、標(biāo)靶布測、外業(yè)掃描測量、核對竣工圖、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、三維模型制作、建筑面積計算、平面位置關(guān)系圖繪制、立面圖繪制、竣工地形圖繪制、成果資料匯編等。

根據(jù)本項目技術(shù)設(shè)計書的要求，在測圖區(qū)域布設(shè)與機場控制網(wǎng)系統(tǒng)相一致的E級GPS控制網(wǎng)點10點，以機場首級C級控制點作為起算，保證和機場的E級施工控制網(wǎng)一致，E級控制網(wǎng)高程以機場周邊的基巖水準(zhǔn)點為起算，聯(lián)測二等水準(zhǔn)高程。數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計采用JAVAD隨機軟件Pinnacle分別對GPS網(wǎng)基線進(jìn)行解算，將解算出來的基線用同濟(jì)大學(xué)GPS后處理軟件TGPPS for Windows進(jìn)行GPS平差計算。

由于機場限制區(qū)域較多，傳統(tǒng)測量方法無法完成竣工數(shù)據(jù)采集，地面LiDAR的主動、非接觸測量的優(yōu)勢有效解決了該技術(shù)問題。采用先進(jìn)的VZ－400型激光掃描儀，測程在長距離模式下達(dá)到 600m，測距精度5mm/100m，數(shù)據(jù)采集通過無標(biāo)靶定向模式和單站后視定向法相結(jié)合方法，在數(shù)據(jù)處理過程中通過相鄰測站公共區(qū)域同名特征點進(jìn)行測站拼接，因此在實際作業(yè)過程中嚴(yán)格保證相鄰測站的重疊區(qū)域測量;單站后視定向是通過在圖根點上布設(shè)測站和標(biāo)靶后視點，掃描過程中精確測定標(biāo)靶中心在掃描坐標(biāo)系和廣州坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為后續(xù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供準(zhǔn)確的參數(shù)。因此布設(shè)標(biāo)靶，測定其坐標(biāo)的過程中藥嚴(yán)格確保標(biāo)靶位置固定不變，確保坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 地面LiDAR竣工測量技術(shù)流程

3 數(shù)據(jù)處理和成果分析

3.1 掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于原始點云數(shù)據(jù)存在大量噪聲，數(shù)據(jù)空洞等，造成數(shù)據(jù)質(zhì)量差，不能滿足高精度測量的要求，因此在處理數(shù)據(jù)前必須先進(jìn)行預(yù)處理，剔除噪聲數(shù)據(jù)，修補數(shù)據(jù)空洞。點云數(shù)據(jù)去噪、補洞后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)作業(yè)。作業(yè)過程中對部分測站采用的控制點定向，因此直接采用控制點配準(zhǔn)法進(jìn)行配準(zhǔn)，該方法自動匹配控制點無需人為手動配準(zhǔn)，節(jié)約時間，配準(zhǔn)精度高。部分區(qū)域無法測量控制點，均采用公共區(qū)域同名點配準(zhǔn)法，需要在相鄰測站公共區(qū)域手動尋找至少4對同名點進(jìn)行配準(zhǔn)，在作業(yè)過程中要保證配準(zhǔn)精度，時間成本增加。粗配結(jié)束后，采用ICP算法自動精配，提高配準(zhǔn)精度。最后通過標(biāo)靶坐標(biāo)匹配將所有測站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下。

3.2 特征提取及成果制作

航站樓及附屬設(shè)施是建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不規(guī)則的建筑實體，直接從點云數(shù)據(jù)中提取全部特征點、線比較困難，為了減少后續(xù)處理數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理效率，需要從點云數(shù)據(jù)中提取部分特征數(shù)據(jù)，包括:建筑骨架線、建筑立面輪廓、建筑門、窗細(xì)節(jié)特征及分層切片等。制作相應(yīng)的成果資料，構(gòu)建建筑三維模型

(1)特征點、線及地形數(shù)據(jù)提取

對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，通過設(shè)計合適的切割方向和切片厚度實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的層次劃分，提取出適合規(guī)劃建筑物面積計算的切片;切片法可以采用Riscan Pro或者采用廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院研發(fā)的Laserscanner軟件進(jìn)行。

建筑骨架線及立面輪廓特征提取是整個三維模型重建精度指標(biāo)的關(guān)鍵因素，建筑門、窗細(xì)節(jié)提取則是繪制立面圖的關(guān)鍵。圖3展示了特征提取的主要流程。

圖3 特征提取流程

激光點云中提取的地形數(shù)據(jù)是制作竣工測量地形圖及竣工平面位置關(guān)系圖的關(guān)鍵，首先根據(jù)地形精度要求對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，以提高數(shù)據(jù)處理的效率，然后根據(jù)具體投影高程面選擇無透視水平投影，提取地形特征，生成地形數(shù)據(jù)，根據(jù)地形精度要求判別數(shù)據(jù)精度。

(2)建筑面積計算

根據(jù)分層切片獲取的航站樓輪廓特征范圍線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到廣州市基礎(chǔ)地理信息測繪信息化平臺軟件進(jìn)行整理。在數(shù)據(jù)工程編輯狀態(tài)下繪制建筑物線劃圖，計算建筑物面積如圖4所示。

圖4 建筑物面積計算略圖

(3)建筑立面圖、平面圖及竣工地形圖制作

采用平面投影繪圖方式，通過自主研發(fā)的點云數(shù)據(jù)處理軟件的平面無透視投影方法，進(jìn)行主平面投影，將投影數(shù)據(jù)輸出DXF格式導(dǎo)入廣州市基礎(chǔ)地理信息測繪信息化平臺軟件編輯平臺進(jìn)行描繪建筑立面圖、制作平面圖位置關(guān)系圖及竣工地形圖，如圖5所示。

圖5 正射投影點云數(shù)據(jù)及描繪航站樓立面圖

(4)3D模型制作及紋理映射

廣州新白云國際機場航站樓建筑物屬于廣州市地標(biāo)性建筑，建筑以鋼結(jié)構(gòu)為主，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為更好比對建筑物報建與竣工后的相符性，根據(jù)提取的特征骨架線及輪廓特征信息建立高精度三維模型，結(jié)合外業(yè)采集的影像信息，進(jìn)行三維紋理映射，如圖6所示。

圖6 航站樓三維模型

3.3 結(jié)果分析

為了檢校成果精度，以傳統(tǒng)測量方式采集點位、邊長、高程與本次成果進(jìn)行比較，經(jīng)實地對建筑物邊長分段及總長檢查，分段檢查最大較差為 2 cm，總長檢查最大較差為－6 cm。其精度高于技術(shù)設(shè)計要求。在內(nèi)業(yè)數(shù)字化成圖過程中，基于廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息化測繪平臺軟件的互通性，很好地完成了面積計算圖，平、立面關(guān)系圖及竣工地形圖的制作，作業(yè)數(shù)據(jù)完全利用外業(yè)測量成果，點位正確，數(shù)據(jù)精度無損。

4 結(jié)論及建議

廣州新白云國際機場旅客航站樓及附屬建筑竣工驗收測量，是廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院在建筑物規(guī)劃驗收測量項目上首次采用地面LiDAR技術(shù)的新嘗試、新探索，為該技術(shù)在竣工測量上應(yīng)用的可行性進(jìn)行了進(jìn)一步的探索，同時也對廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院技術(shù)力量又有了新的提高，硬軟件的配合更加融洽，彌補了該院對于大型建筑驗收測量，特別是局域性高精度測量的不足。

通過本項目的實踐，采用先進(jìn)的地面LiDAR測量技術(shù)對超大型、多功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新穎、別致的建筑物的建筑竣工測量，有效利用了地面LiDAR技術(shù)速度快、自動化、精度高等特性，實現(xiàn)了對城市規(guī)劃管理的精細(xì)化。通過對成果數(shù)據(jù)精度分析，證明了該技術(shù)應(yīng)用于竣工驗收測量的可行性。同時地面LiDAR技術(shù)也存在不足:如數(shù)據(jù)量大、處理效率不高等問題，將會是后期數(shù)據(jù)處理研究的重點。

［1］ 盧丹丹，吳熙，王厚之等.三維竣工測量的研究與應(yīng)用［J］.城市勘測，2010(6):47～50.

［2］ 高志國.基于TerraScan軟件的點云數(shù)據(jù)濾波處理研究［J］.城市勘測，2013(3):66～69.

［3］ 高志國.地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理及建模研究［D］.西安:長安大學(xué)，2010.

［4］ 王峰，林鴻，李長輝.地面三維激光掃描技術(shù)在城市測繪中的應(yīng)用［J］.測繪通報，2012(5):47～49.

［5］ 苗蘭芳.點模型的表面幾何建模和繪制［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［6］ 張啟福.地面三維激光掃描儀性能測試方法研究［D］.鄭州:解放軍信息工程大學(xué)，2012.

［7］ 高志國.海量點云數(shù)據(jù)濾波處理方法研究［J］.測繪工程，2013(1):35～38.

［8］ 王峰，陳煥然，程效軍.基于地面激光掃描儀的建筑數(shù)字化方法［J］.測繪通報，2011(6):39～42.

［9］ 胡章杰，薛梅.基于地面三維激光掃描的三維竣工規(guī)劃核實技術(shù)研究［J］.城市勘測，2013(1):15～20.