三維激光掃描技術(shù)在異形建筑竣工測量中的應(yīng)用

王 智，薛慧艷

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

隨著城市化進程的加快及施工工藝的快速發(fā)展，越來越多的異形建筑出現(xiàn)在城市的主要場所，特別是城市標志性建筑、重大活動的場館大多采用外形新穎、獨特的設(shè)計理念進行建設(shè)，異形建筑在給人們帶來視覺享受的同時，給規(guī)劃竣工驗收也帶來了挑戰(zhàn)[1]，如單體竣工需要繪制異形建筑平面圖、剖面圖，與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比分析，以驗證施工是否滿足規(guī)劃設(shè)計要求[2-3]，傳統(tǒng)的全站儀、GNSS接收機等測繪儀器均是相互獨立的單點測量模式，異形建筑特征點難以取舍，內(nèi)業(yè)成圖各構(gòu)筑物要素不易表達，難以全面反映異形建筑在空間的連續(xù)變化情況[4]。

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為異形建筑的竣工驗收測量提供了有效的解決方案，它突破傳統(tǒng)的單點測量模式，以點云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數(shù)據(jù)[5]。2014年世園會是繼2008年奧帆賽之后，青島承辦的持續(xù)時間最長、參與人數(shù)最多、涉及面最廣的一項國際性活動。世園會的主要標志性建筑——主題館，是典型的異形建筑，本文以青島世園會主題館為例，介紹三維激光掃描技術(shù)在異形建筑物規(guī)劃竣工驗收測量中的應(yīng)用，可供其他類似工程借鑒參考。

1 數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用徠卡ScanStation P40三維激光掃描儀，P40融合了高精度的測角測距技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)、Mixed Pixels混合像元技術(shù)和HDR圖像技術(shù)，測角精度為8″，測距精度為1.2 mm+1×10-5D，掃描速率高達每秒100萬點，掃描距離可達270 m[6]，外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

為保證各站掃描數(shù)據(jù)具有較高精度的絕對坐標及內(nèi)符合性，綜合考慮主題館周邊地形情況及竣工測量的精度，在主題館周邊利用青島市連續(xù)運行基準站系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)RTK布設(shè)平面控制點，高程采用電子水準儀進行二等水準觀測，并以其中一個控制點RTK觀測下經(jīng)精化后的正常高作為起算點，作閉合水準平差得到各個控制點的高程。

圖1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程

架站時充分利用現(xiàn)場地形的高差起伏使掃描視野覆蓋整個主題館，為避免激光掃描方向與被掃物體夾角過大帶來的誤差，外業(yè)應(yīng)盡量保證正直掃描[7]，每兩個測站之間通過2～3個標靶進行聯(lián)結(jié)，并保證有一定的重疊區(qū)域，同時顧及與控制點的銜接，以及減小干擾物體的遮擋[8]。

參數(shù)設(shè)置主要包括掃描范圍設(shè)置和掃描密度設(shè)置，掃描范圍越大，密度越高，外業(yè)掃描花費的時間越長，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸及點云預(yù)處理的時間也就越長[9]，為提高作業(yè)效率并顧及建筑物竣工測量的精度要求，將掃描密度設(shè)置為中低檔，每一站的掃描范圍僅限于主題館視野區(qū)域[10-11]。設(shè)置后每站掃描時間不到10 min。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

直接獲取的點云具有數(shù)據(jù)量大、密度高、帶有掃描物體光學特征信息等特點[12]。點云預(yù)處理采用Cyclone軟件，預(yù)處理主要包括點云拼接、去噪濾波、點云分割等操作[13]。流程如圖2所示。

點云拼接是通過一定的約束條件將外業(yè)各測站的掃描數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一的坐標系下，拼接完成后得到一個項目的完整點云[14]。拼接的基本原理是將不同測站觀測的同名點利用空間相似變換公式轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系下，轉(zhuǎn)換公式如下

圖2 三維點云預(yù)處理流程

(1)

式中,(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)為同名點在不同測站下的空間三維坐標;R為旋轉(zhuǎn)正交矩陣；T為平移矩陣。

拼接方法主要有基于標靶的拼接和基于點云視圖的拼接，基于標靶拼接的前提是掃描儀現(xiàn)場在整平狀態(tài)下掃描站點與站點之間有兩個或兩個以上的公共標靶，基于點云的視圖拼接是利用站點之間掃描的公共區(qū)域進行的半自動拼接[15]。本項目采用基于標靶的拼接方式，不同測站相互拼接的轉(zhuǎn)換參數(shù)通過標靶進行自動求解，并通過錄入控制點坐標使得點云統(tǒng)一到當?shù)亟^對坐標系下。拼接后的點云如圖3所示。

圖3 拼接后主題館點云

點云優(yōu)化包括點云統(tǒng)一化、抽稀等操作，點云統(tǒng)一化的目的是將整個點云統(tǒng)一處理為單一的合并點云，由于激光掃描儀外業(yè)觀測數(shù)據(jù)量龐大，操作對電腦配置要求高，抽稀即減小點云的密度，統(tǒng)一化處理、抽稀后，點云的瀏覽、選擇等操作都會在原有的基礎(chǔ)上變得更加流暢。

去噪、濾波是一種點云優(yōu)化過程。在掃描儀的原始點云中往往包含若干對于成果處理有不良影響的點，去噪、濾波就是通過一定的處理手段，保留有效點，刪除無效點的過程。對于有序點云可通過平滑濾波的方法進行去噪，對于散亂點云數(shù)據(jù)則采用八叉樹法、空間單元格法、KD-tree法等方法進行去噪處理。

點云的切割本質(zhì)是將一片完整的點云劃分為若干個點云的子集，便于后續(xù)的建模等基于點云的成果處理和數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出。

2.2 三維建模

三維建模是將海量離散的三維空間點轉(zhuǎn)換為連續(xù)、統(tǒng)一的三維模型的過程，建?？赏ㄟ^擬合等方式創(chuàng)建，以精確表現(xiàn)掃描物體的空間形態(tài)。擬合點云首先需要選取特定位置的點云數(shù)據(jù)，并通過延展、對齊、切割等輔助操作進行構(gòu)建，對創(chuàng)建的單元模型通過編輯模型顏色及材質(zhì)以增強掃描物體的三維真實效果。

異形建筑三維模型構(gòu)建過程中曲面的擬合是最關(guān)鍵、復(fù)雜的過程，其主要是尋找最優(yōu)的數(shù)學模型，通過對空間離散點的擬合構(gòu)建異形建筑原始的近似模型。曲面擬合采用非均勻有理B樣條模型(NURBS模型)，該模型具有算法穩(wěn)定、速度快、曲面擬合效果好等優(yōu)點。

NURBS模型擬合空間曲線采用分段有理多項式函數(shù)，表示為

(2)

式中，Wi為權(quán)重；Vi為控制頂點；Bi,k(u)為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。

NURBS模型擬合空間曲面數(shù)學函數(shù)表示如下

(3)

式中，Wi,j為四角頂點處的權(quán)重；Vi,j為控制頂點拓撲矩陣，形成一個控制網(wǎng)絡(luò)；Bi,k(u)和Bj,l(w)分別是u向k次和w向l次B樣條基函數(shù)。

世園會主題館大部分結(jié)構(gòu)為規(guī)則的空間平面，在四角轉(zhuǎn)彎處為空間不規(guī)則曲面，平面擬合先切割點云，限制擬合空間范圍，再拾取相應(yīng)點云進行自動擬合，不規(guī)則曲面采用NURBS模型進行擬合，建模后的三維主題館模型如圖4所示。建立三維模型后可創(chuàng)建三維漫游動畫等方式，提供給相關(guān)部門輔助規(guī)劃竣工驗收。

圖4 建模后主題館效果

2.3 竣工圖制作

建筑物單體竣工圖主要包括平面圖和立面圖，可通過在Cyclone軟件里創(chuàng)建參考面及切片功能實現(xiàn)，參考面是三維模型轉(zhuǎn)向二維線劃圖的重要輔助工具，切片功能往往與參考面功能協(xié)同使用，以達到切割剖面的目的。

根據(jù)設(shè)計圖及規(guī)劃竣工要求設(shè)置參考面位置，并設(shè)置厚度為2 cm的切片點云，在切片點云的基礎(chǔ)上繪制二維線劃圖，繪制后的平面和剖面圖如圖5 和圖6所示。

圖5 規(guī)劃竣工平面圖

圖6 規(guī)劃竣工立面圖

3 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點測量技術(shù)，大大縮短了作業(yè)時間，提高了生產(chǎn)效率，大大節(jié)省了人力成本且成果更加全面，具有點云、模型、線劃圖等多種成果表達方式；鑒于三維激光掃描儀良好的技術(shù)特性，已逐步應(yīng)用于各相關(guān)領(lǐng)域，利用三維激光掃描技術(shù)對復(fù)雜不規(guī)則結(jié)構(gòu)的異形建筑物進行竣工測繪具有無可替代的優(yōu)勢。

本文總結(jié)了使用三維激光掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理及竣工圖生產(chǎn)等整個過程，對模型構(gòu)建、剖面圖繪制等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，并結(jié)合青島世園會主題館竣工測量案例說明了三維激光掃描儀用于異形建筑竣工測量的優(yōu)勢，對于其他類似工程具有重要參考意義。

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