三維激光掃描技術在竣工測量中的應用研究

□王建營 譚智

（天津市測繪院，天津 西青 300381）

三維激光掃描技術在竣工測量中的應用研究

□王建營 譚智

（天津市測繪院，天津 西青 300381）

三維激光掃描技術作為近年來才發(fā)展起來的新興測量技術，以其快速、精確、無接觸測量等優(yōu)勢在眾多領域發(fā)揮著越來越重要的作用。近幾年，隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，建筑設計施工水平日臻成熟完善，各種造型獨特的建筑也開始涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的竣工測量作業(yè)方式難以實現(xiàn)對此類建筑物的平面位置和高程的精確表達。本文利用三維激光掃描技術對某建筑進行竣工測量，并與常規(guī)竣工測量結(jié)果進行對比，證實了三維激光掃描技術可作為復雜建筑竣工測量的一種有效手段。

三維坐標；激光掃描；竣工測量；點云數(shù)據(jù)

0.引言

建筑工程規(guī)劃竣工測量指在建筑新建、擴建、改建過程后，對建筑物進行相關位置、實際面積進行的相關測量[1]。根據(jù)規(guī)劃管理的需要，將實際尺寸數(shù)據(jù)和建設工程規(guī)劃許可證及附圖進行比對后繪制建筑面積圖和匯總面積報表，以便確定項目是否按照許可的內(nèi)容進行建設。傳統(tǒng)的竣工測量作業(yè)方式包括全站儀數(shù)字測圖、GPS-RTK測量、手持測距儀和鋼尺直接測量法等[2]。傳統(tǒng)竣工作業(yè)方式能在野外獲取有限個特征點數(shù)據(jù)，利用特征點數(shù)據(jù)繪制數(shù)字地形圖和建筑物形狀得到竣工測量成果，這種作業(yè)方式簡單有效，適用于形狀簡單的建筑工程竣工測量。

隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展和進步，建筑設計施工技術水平的日臻成熟完善，各種新式各異的建筑也開始涌現(xiàn)。對于劇院、博物館、圖書館、大型購物商城等復雜異型建筑而言，傳統(tǒng)竣工測量作業(yè)方式獲取的有限個特征點數(shù)據(jù)難以精確表達建筑物的平面形狀和高程信息。為此，尋找一種新的作業(yè)方式開展此類建筑的竣工測量顯得尤為必要。

三維激光掃描技術作為一種非接觸式主動測量系統(tǒng)，能大量快速地獲取被測目標的線、面、體、空間等三維坐標數(shù)據(jù)，通過計算機重構(gòu)其三維數(shù)據(jù)模型，反映客觀世界的真實形態(tài)，能深入各種復雜場景進行作業(yè)，并具有點位精度高、采集的空間點密度大、速度快等特點[3]。目前，三維激光掃描技術已被廣泛應用于考古測量和文物保護重建、建筑物三維重建、變形監(jiān)測、工業(yè)制造等諸多領域[4-7]。

三維激光掃描技術的出現(xiàn)，為復雜建筑物竣工測量提供了新的解決思路。利用三維激光掃描技術可以快速高效獲取大量建筑物表面的點云數(shù)據(jù)繪制竣工測量圖，精準反應建筑物外形和高度信息。本文利用三維激光掃描技術對某建筑進行竣工測量實驗，并與常規(guī)竣工測量結(jié)果進行對比，證實了三維激光掃描技術可作為復雜建筑竣工測量的一種有效手段。

1.實驗設計

選定異形建筑物一棟，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘確定控制點網(wǎng)，利用三維激光掃描儀對竣工建筑物外形開展三維點云數(shù)據(jù)掃描，作業(yè)模式可采用測站配定向點的點云掃描模式，獲取實驗建筑物完整的點云數(shù)據(jù)信息。

利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件對點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，包括點云數(shù)據(jù)配準、點云數(shù)據(jù)濾波、點云數(shù)據(jù)壓縮，獲取異形建筑物任意部位的建筑尺寸數(shù)據(jù)。依據(jù)建筑標高，對點云數(shù)據(jù)進行切片，獲取建筑物每一層的橫截面數(shù)據(jù)，擬合成建筑物每一層輪廓，標注擬合輪廓線長度與常規(guī)竣工測量結(jié)果進行對比分析。

實驗中三維激光掃描儀為奧地利Riegl激光測量系統(tǒng)公司生產(chǎn)的Riegl Vz-1000三維激光掃描儀。該掃描儀每秒能發(fā)射30萬個非接觸激光脈沖信號，百米單次測量精度達到8mm，重復測量精度提升到5mm，最大測量距離能夠達到1400m(反射率>90%）和700m(反射率>20%），掃描角度垂直方向達到100°（+60°至-40°），水平方向達到360°（0°至360°）。

常規(guī)竣工測量采用全站儀數(shù)字測圖作業(yè)方式。實驗中全站儀采用日本拓普康公司生產(chǎn)的ES-101電子全站儀。該全站儀測角精度達到1″，測距精度為3+2ppm×D mm（無棱角模式）和3+2ppm×D mm（棱鏡模式）。

2.實驗與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

選定某異形建筑物（如圖1所示）作為實驗建筑物。該建筑造型獨特，主體為棱臺異形建筑，由底部至頂部逐漸變小，采用常規(guī)的作業(yè)模式難以實現(xiàn)對各項規(guī)劃要素的精確表達。

圖1 異形建筑物外形

通過現(xiàn)場實地踏勘，依據(jù)建筑物外圍輪廓，在建筑物外圍布設11個控制點，為保證建筑物第二、三層的退臺式建筑的掃描，在該建筑物頂部還布設了7個控制點，共布設18個控制點構(gòu)成掃描控制網(wǎng)。（如圖2所示）每個控制點至少有一個與之通視的點，通視點距離控制在200至400米，特殊情況下在100米內(nèi)?？刂泣c至掃描目標距離控制在160以內(nèi)。掃描控制網(wǎng)包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。平面控制采用全站儀及配套棱鏡在控制點之間按二級邊角測量的技術要求執(zhí)行，測角中誤差小于10″，測距中誤差小于16 mm，測距相對中誤差小于1/30000，最弱邊邊長相對中誤差小于1/10000。高程控制在各控制點間開展四等水準測量，構(gòu)成閉合水準網(wǎng)，閉合差小于

圖2 控制網(wǎng)示意圖

利用Riegl Vz-1000三維激光掃描儀，采用測站配定向點的點云掃描作業(yè)模式對該建筑開展三維激光掃描，采集點云數(shù)據(jù)。本建筑共設站18站，采集數(shù)據(jù)量達到3GB。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用配套的RiScan Pro軟件，對外業(yè)采集的點云數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)配準，配準精度評定，數(shù)據(jù)裁剪和濾波，數(shù)據(jù)壓縮，得到實驗建筑物預處理的點云數(shù)據(jù)，見圖3。本次實驗點云數(shù)據(jù)配準后，兩測站間數(shù)據(jù)標準差均小于0.05 m，滿足竣工測量精度要求。數(shù)據(jù)壓縮時，為保留足夠的物標細節(jié)特征，距離分辨率設置為0.10 m。

預處理的點云進行特征數(shù)據(jù)提取。提取的數(shù)據(jù)包括：竣工建筑的±零高、制高點、頂高，以及竣工建筑物外輪廓角點坐標等建筑物特征信息。（如圖4所示）

依據(jù)建筑物設計層高信息，對建筑物點云數(shù)據(jù)進行切片處理，提取建筑物對應標高位置的建筑物橫截面，作為對應層數(shù)的竣工面積。由于本建筑主體為異形結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關規(guī)范的要求，需要確定每層凈高0米、1.20米和凈高2.10米的具體位置，以便確定計算全面積、半面積和不計算面積的范圍線。在該實例中，共計作出9個橫截面（主體結(jié)構(gòu)共計3層，每層的0、+1.20、+2.10位置處）。

圖3 預處理點云數(shù)據(jù)

圖4 切片時點云

將切片后的點云，輸出至AutoCAD中，分段線性擬合成建筑輪廓線。扣除其抹灰層和裝飾層后，標注擬合輪廓線長度，得到該建筑的各邊邊長，用于繪制建筑物的竣工測量圖。（如圖5所示）

圖5 某建筑C區(qū)第二層點云橫截面

2.3 結(jié)果分析

利用拓普康ES-101電子全站儀，采用全站儀數(shù)字測圖作業(yè)方式對實驗建筑物部分輪廓線進行常規(guī)竣工測量，獲取這些輪廓線的邊長，與三維激光掃描結(jié)果的擬合輪廓線長度進行對比，對比結(jié)果參見表1：

表1 邊長比較表

表中結(jié)果顯示，最大的差值為0.10米，最小的差值為0.01米，大部分差值控制在5cm以下，能滿足建筑面積測量的要求。

實驗結(jié)果表明，三維激光掃描技術可作為復雜建筑竣工測量的一種備選手段。

3.結(jié)論

三維激光掃描技術作為一種快速獲取目標地物線、面、體、空間等三維坐標數(shù)據(jù)的高精度立體掃描技術，已被廣泛應用于考古測量和文物保護重建、建筑物三維重建、工業(yè)制造等方面。本文利用三維激光掃描技術掃描異形建筑物，基于掃描結(jié)果獲取了建筑物竣工測量成果，并與常規(guī)竣工測量結(jié)果進行對比，取得了較好的實驗結(jié)果。實驗結(jié)果表明三維激光掃描技術能夠作為一種特定的竣工測量手段，用于異形建筑物的竣工驗收測量。

【1】寧津生，陳俊勇，李德仁等.測繪學概論[M].第二版.武漢:武漢大學出版社，2014.

【2】李和氣.房屋建筑面積測量[M].北京:中國計量出版社，2001.

【3】尹婷.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理技術的研究[D].武漢:武漢理工大學，2010.

【4】尤紅建，蘇林，李樹楷.基于掃描激光測距數(shù)據(jù)的建筑物三維重建[J].遙感技術與應用，2005，20（4）:381-384.

【5】王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應用[D].長沙:中南大學，2010.

【6】黨曉斌.三維激光掃描計算在建筑物形變監(jiān)測中的應用研究[D].西安:長安大學，2011.

【7】白成軍.三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用及相關問題研究[D].天津:天津大學，2007.

P226+.3

B

2095-7319（2015）02-0022-05

王建營（1981—），男，雙學士，工程師，天津市測繪院，現(xiàn)在主要從事GNSS應用研究。