三維激光掃描支持下的復(fù)雜異型建筑物測(cè)量

崔 磊，張鳳錄，錢 林

(北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038 )

三維激光掃描支持下的復(fù)雜異型建筑物測(cè)量

崔 磊，張鳳錄，錢 林

(北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038 )

針對(duì)傳統(tǒng)工程測(cè)量對(duì)異型建筑物測(cè)量的局限性，利用地面三維激光掃描儀對(duì)復(fù)雜異型建筑物中央電視臺(tái)新址大樓進(jìn)行了測(cè)量；介紹了掃描儀的主要組成和作業(yè)流程，重建了建筑物三維立體模型，通過(guò)掃描儀和全站儀對(duì)圓形特征反射靶標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，評(píng)估分析了掃描儀測(cè)量精度。研究結(jié)果證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜異型建筑物測(cè)量的可行性。

三維激光掃描；復(fù)雜異型建筑物測(cè)量；三維建模；精度評(píng)價(jià)

近年來(lái)，地面三維激光掃描技術(shù)在土石方測(cè)量、文物測(cè)繪、滑坡監(jiān)測(cè)、建筑物變形監(jiān)測(cè)、道路竣工測(cè)量等測(cè)量工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)工程測(cè)量對(duì)于特征復(fù)雜的異型建筑物測(cè)量具有一定的局限性，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)異型建筑物結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)及竣工測(cè)量進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定成果。謝宏全[1]、張平[2]等對(duì)城市異形建筑物進(jìn)行了掃描測(cè)量，計(jì)算了建筑物面積，對(duì)掃描測(cè)量精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，證明三維激光掃描技術(shù)在異型建筑物測(cè)量方面具有較好的應(yīng)用前景；胡章節(jié)等[3]研究證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在建筑物工程規(guī)劃竣工測(cè)量中的可行性；丁延輝[4]、吳靜[5]等利用地面三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行掃描和模型重建，取得了較好效果；冒愛(ài)泉[6]等對(duì)地面三維激光掃描儀精度測(cè)評(píng)方法和誤差改正方法進(jìn)行了研究，給出了掃描儀誤差改正模型，為掃描儀點(diǎn)云的糾正處理提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)模型。

本文利用Riegl VZ-400地面三維激光掃描儀對(duì)具有大量鋼結(jié)構(gòu)和大面積玻璃幕墻的復(fù)雜異型建筑物進(jìn)行了掃描測(cè)量，重建了三維模型，掃描測(cè)量了建筑物基體圓形平面特征反射片，并利用全站儀測(cè)量結(jié)果評(píng)估了掃描儀點(diǎn)位測(cè)量精度，取得了較好效果。

1 系統(tǒng)工作原理和作業(yè)流程

1.1 工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)是利用光學(xué)非接觸測(cè)量方式快速獲取空間地物高精度三維數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析處理和坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，重建被掃描物體的三維模型。

激光發(fā)射裝置發(fā)出光束經(jīng)掃描控制單元偏轉(zhuǎn)后入射到物體表面，根據(jù)TOF激光脈沖測(cè)距原理獲得激光光束發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)物體的斜距，結(jié)合光束在垂直和水平方向的偏轉(zhuǎn)角度，計(jì)算得到物體表面測(cè)量點(diǎn)在儀器內(nèi)部坐標(biāo)系的空間位置坐標(biāo)。其中光束垂直和水平方向偏轉(zhuǎn)通過(guò)光學(xué)平面反射鏡和伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

利用網(wǎng)絡(luò)RTK對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行控制測(cè)量，通過(guò)空間布設(shè)的特征靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的位置關(guān)系轉(zhuǎn)換。

1.2 作業(yè)流程

地面三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)流程分為前期規(guī)劃、控制測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重建與應(yīng)用。

根據(jù)任務(wù)需求對(duì)掃描環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)測(cè)量場(chǎng)景大小、復(fù)雜程度和工程精度要求，確定掃描路線、掃描站點(diǎn)，確定掃描站數(shù)、掃描儀至掃描場(chǎng)景的距離和掃描密度。

控制測(cè)量布設(shè)的控制點(diǎn)與掃描站通視，以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一和多站數(shù)據(jù)的拼接[7]。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的掃描路線布設(shè)站點(diǎn)，實(shí)施掃描與拍照。初步分析掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證采集數(shù)據(jù)量既不缺失，又不過(guò)度冗余，避免二次測(cè)量和數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生不必要的工作量[8]。

數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低模型重建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的質(zhì)量。根據(jù)掃描場(chǎng)景和數(shù)據(jù)特點(diǎn)對(duì)區(qū)域劃分，分別進(jìn)行點(diǎn)云濾波和分割，對(duì)不同站點(diǎn)間掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合[9]。

對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，利用拍攝圖片進(jìn)行紋理映射，對(duì)于規(guī)則表面和特征豐富的多維曲面區(qū)別對(duì)待，提高建模精度和工作效率[10]。

模型可視化和應(yīng)用對(duì)建立的模型進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)據(jù)整理，提取特征線、量測(cè)特征尺寸，計(jì)算特征面積和體積，監(jiān)測(cè)并分析預(yù)測(cè)建筑物形變，為用戶提供滿足應(yīng)用需求的三維模型和應(yīng)用服務(wù)。

2 異型建筑物測(cè)量實(shí)例

地面三維激光掃描測(cè)量對(duì)象為中央電視臺(tái)新址大樓，其地上51層，地下3層，建筑總面積約48萬(wàn)m2，兩座塔樓雙向內(nèi)傾斜約6°，163 m以上部分通過(guò)L形懸臂結(jié)構(gòu)連為一體。建筑物外表面由復(fù)雜不規(guī)則幾何圖案組成，具有大量鋼結(jié)構(gòu)和大面積玻璃幕墻，造型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)新穎，屬國(guó)內(nèi)外特大異型建筑物。

采用的Riegl VZ-400地面三維激光掃描儀性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

系統(tǒng)掃描測(cè)量作業(yè)流程如圖1所示。系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作包括控制測(cè)量、激光掃描和影像采集；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、工程圖制作、數(shù)據(jù)建模、紋理貼圖和精度分析等。

圖1 系統(tǒng)作業(yè)流程

利用網(wǎng)絡(luò)RTK現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)外業(yè)控制測(cè)量點(diǎn)，控制點(diǎn)與掃描站通視，粘貼特征反射片，實(shí)現(xiàn)掃描各站點(diǎn)間數(shù)據(jù)拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為保證自動(dòng)提取反射片中心坐標(biāo)的精度，控制點(diǎn)間距在100 m以內(nèi)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，掃描測(cè)量設(shè)站23站，利用公共反射片實(shí)現(xiàn)站與站之間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，拼接精度優(yōu)于5 mm。掃描作業(yè)過(guò)程中始終使用相同控制點(diǎn)，每次掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后至同一坐標(biāo)系下。利用現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于1 cm。對(duì)拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)濾波和平滑處理，處理后的三維點(diǎn)云模型如圖2所示。

圖2 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)三維模型，繪制建筑物的立面圖、平面圖和剖面圖。建筑物三維模型如圖3所示，建筑物東立面如圖4所示。

在建筑物基體按序選擇10個(gè)點(diǎn)粘貼圓形特征反射片，掃描儀對(duì)反射片測(cè)量，提取反射片靶標(biāo)中心坐標(biāo)，坐標(biāo)系統(tǒng)一到控制點(diǎn)坐標(biāo)系下；利用免棱鏡全站儀測(cè)量反射片，獲得反射片在控制點(diǎn)坐標(biāo)下的坐標(biāo)，將掃描儀測(cè)量結(jié)果和全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，點(diǎn)位坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。利用反射片靶標(biāo)中心坐標(biāo)計(jì)算反射片靶標(biāo)中心距離，并與全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 建筑物三維模型

圖4 建筑物東立面

序號(hào)全站儀測(cè)量坐標(biāo)掃描儀測(cè)量坐標(biāo)XYXYΔXΔY1509021．551305161．962509021．528305161．9430．0230．0192509047．368305186．528509047．354305186．5110．0140．0173509085．247305259．217509085．258305259．237-0．011-0．024509101．398305227．279509101．381305227．2540．0170．0255509128．621305255．361509128．637305255．342-0．0160．0196509152．349305304．214509152．31305304．2620．039-0．0487509170．584305336．353509170．597305336．368-0．013-0．0158509198．463305370．128509198．454305370．1570．009-0．0299509207．625305390．355509207．643305390．318-0．0180．03710509232．658305392．843509232．67305392．827-0．0120．016

表3 掃描儀與全站儀量邊測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比 m

為保證掃描儀測(cè)量的精度和可靠性，掃描儀測(cè)量反射片距離跨度為100～300 m，由表2、表3測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到掃描儀點(diǎn)位測(cè)量中誤差和量邊測(cè)量中誤差分別為3.3和1.1 cm，滿足建筑物工程規(guī)劃竣工測(cè)量要求。

測(cè)量結(jié)果證明了地面三維激光掃描應(yīng)用于復(fù)雜異型建筑物測(cè)量的可行性，可有效地提高作業(yè)效率，通過(guò)豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可快速獲取建筑物特征點(diǎn)、特征面、特征體的相對(duì)位置關(guān)系數(shù)據(jù)，為建筑物變形監(jiān)測(cè)和沉降觀測(cè)提供可靠依據(jù)。

本次測(cè)量中央電視臺(tái)新址大樓結(jié)構(gòu)大多是鋼結(jié)構(gòu)，外表玻璃幕墻的材質(zhì)影響了激光掃描測(cè)量獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及數(shù)據(jù)拼接的質(zhì)量和三維建模的質(zhì)量；其地上建筑51層，為保證掃描儀的測(cè)量速度，地面三維激光掃描儀距建筑物的距離比較近，對(duì)建筑物高層測(cè)量時(shí)掃描仰角較大，獲取的建筑物高層點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量不高且大量數(shù)據(jù)丟失，對(duì)建筑物高層的掃描測(cè)量和建模質(zhì)量產(chǎn)生了較大影響。3 結(jié)束語(yǔ)

利用Riegl VZ-400地面三維激光掃描儀對(duì)具有大量鋼結(jié)構(gòu)和大面積玻璃幕墻表面的特大異型建筑物進(jìn)行了掃描測(cè)量，重建了建筑物三維模型。利用掃描儀和全站儀對(duì)圓形特征反射片的測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，評(píng)估分析了掃描儀點(diǎn)位測(cè)量精度。測(cè)量結(jié)果證明了地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于異型建筑物測(cè)量的可行性，在復(fù)雜異型建筑物特征點(diǎn)、特征面、特征體的量測(cè)和變形監(jiān)測(cè)分析等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

[1] 謝宏全，張馳，尹吉祥，等．利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行異型建筑物竣工測(cè)量[J]．測(cè)繪通報(bào)，2015(11): 72-75．

[2] 張平，黃承亮，朱清海，等．基于三維激光掃描技術(shù)的異型建筑物建筑面積竣工測(cè)量[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2014，37(5): 222-224．

[3] 胡章節(jié)，薛梅．基于地面三維激光掃描的三維竣工規(guī)劃核實(shí)技術(shù)研究[J]．城市勘測(cè)，2013(1): 15-20．

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[6] 冒愛(ài)泉，朱益虎，郝思寶，等．地面三維激光掃描儀精度測(cè)評(píng)方法和誤差改正模型研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2014(2): 72-75．

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[8] 張瑞菊，王晏民，李德仁．快速處理大數(shù)據(jù)量三維激光掃描數(shù)據(jù)的技術(shù)研究[J]．測(cè)繪科學(xué)，2006，31(5):93-94．

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[10] 楊林，盛業(yè)華，王波．利用三維激光掃描技術(shù)建筑物室內(nèi)外一體化建模方法研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2014(7):27-30．

StudyonComplexShapedBuildingMeasurementBasedon3DLaserScanningSystem

CUI Lei，ZHANG Fenglu，QIAN Lin

(Beijing Institute of Surveying and Mapping, Beijing 100038, China)

In order to improve the operational efficiency and the results quality of the complex shaped building, a measuring method of the CCTV new site building based on 3D laser scanning system is designed and implemented. First, the principle and the integrated operational procedures of the 3D terrestrial laser scanning system are presented. Then, three-dimensional model of the CCTV new site building are measured and reconstructed. Finally, accuracy evaluation is accomplished by measuring the plane reflective targets based on scanning system and total station, as a reliable basis for measuring and analyzing the complex shaped building.

3D laser scanning; complex shaped building measuring; three dimensional modeling; accuracy evaluation

P237

A

0494-0911(2017)01-0112-03

崔磊，張鳳錄，錢林.三維激光掃描支持下的復(fù)雜異型建筑物測(cè)量[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(1)：112-114.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0024.

2016-07-25

崔 磊(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槿S激光掃描和工程測(cè)量。E-mail: cuilei125@163.com