空地協(xié)同測繪在廣州圓異型建筑驗收中的應(yīng)用

楊 光，劉 敏，王 磊，周燕芳

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

隨著當(dāng)今信息化測繪體系的協(xié)同發(fā)展，以數(shù)字化為主體的技術(shù)裝備將GNSS、RS、GIS與數(shù)字測繪產(chǎn)品有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)空天陸海的一體化[1]?；谶@一理念,空地協(xié)同測繪或一體化測繪的內(nèi)涵是將地面與空中的測繪遙感技術(shù)手段相結(jié)合，實現(xiàn)技術(shù)的互補、作業(yè)的協(xié)同和成果的互用。正因為如此，基于多種儀器設(shè)備的空地協(xié)同測繪已成為近年來的研究熱點，并在公路勘察[2]、地形測量[3]、全景影像快速獲取[4]和水上水下測繪[5]等領(lǐng)域得到研究應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、非接觸、精度高、直接獲取目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢；無人機(jī)影像可以獲取建筑物頂部和地面信息，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取的建筑物立面信息，二者可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，更利于進(jìn)行復(fù)雜建筑物的精密測繪、模型的精細(xì)構(gòu)建和三維場景的快速更新[6]。

規(guī)劃驗收測量是城市建筑工程規(guī)劃管理的重要環(huán)節(jié)，是在建筑物工程竣工后對建筑物實體進(jìn)行全方位的精細(xì)現(xiàn)狀測量，并按照規(guī)劃部門前期審批條件(平面位置關(guān)系、立面、面積、容積率等規(guī)劃指標(biāo))進(jìn)行規(guī)劃技術(shù)審查的工作。隨著現(xiàn)代建筑藝術(shù)的發(fā)展和人民經(jīng)濟(jì)生活水平的提高，許多城市在建設(shè)過程中更加注重城市個性化發(fā)展，以抽象思維設(shè)計標(biāo)志性建筑物往往以非常態(tài)表現(xiàn)形式呈現(xiàn)。對這些建筑物進(jìn)行規(guī)劃驗收測量時，采用常規(guī)測繪方法需要逐層逐邊進(jìn)行量測，然后分層繪制、測算，不僅工程量巨大、測繪周期長，而且不規(guī)則區(qū)域特征部位往往難以直接獲取，從而導(dǎo)致點位精度和面積可靠性等技術(shù)指標(biāo)均難以滿足規(guī)范要求。

廣州圓大廈被列入廣東省新十項工程和廣州市重點項目，是省政府重點支持的大型現(xiàn)代發(fā)展項目。項目坐落于廣州白鵝潭經(jīng)濟(jì)圈最南端，毗鄰珠江，規(guī)劃占地面積13萬m2。大廈建筑造型獨特，主體為圓璧形，兼具超甲級寫字樓和商業(yè)兩大功能，并規(guī)劃配套2棟30層酒店式公寓和塑料博物館、蠟像館，是集商務(wù)辦公、奢華購物、酒店式公寓和旅游于一體的大型商務(wù)綜合體。利用獨特江景建筑風(fēng)格，廣州圓大廈將著力打造為全球化江岸商務(wù)辦公新地標(biāo)和五百強總部基地。

1 技術(shù)難點與應(yīng)對

1.1 特殊的建筑形態(tài)制約了輪廓特征采集

廣州圓大廈主體為高138 m、外圓直徑146.6 m、內(nèi)圓直徑47 m的33層建筑，總建筑面積10.6萬m2。建筑外部形狀渾圓、內(nèi)部構(gòu)造方正，這與建筑外圍設(shè)計的大圓面擋住了中間凸出的方形建筑空間有關(guān)。建筑的構(gòu)造由古玉璧形狀得到啟發(fā)，兩個圓形外墻完全支撐方形的樓層，使室內(nèi)空間能夠充分利用，而方塊與圓形外墻形成的反差是建筑主特色之一?！半p圓支撐”“同心圓環(huán)”和“外圓內(nèi)方”等一系列獨特的造型設(shè)計使得建筑輪廓極度不規(guī)則，同時也制約了建筑特征點的直接測量。

規(guī)劃驗收測量作為建筑工程規(guī)劃管理的重要環(huán)節(jié)，需要對建筑物實體進(jìn)行外部輪廓的精確確定，并按照規(guī)劃部門的審批條件(平面位置關(guān)系、立面、面積、容積率等規(guī)劃指標(biāo))進(jìn)行逐一對比。而外形輪廓的制約，使得很多重要部位無法到達(dá)，很多關(guān)鍵特征點也無法通視，阻礙了建筑輪廓特征點的采集獲取。

無人機(jī)技術(shù)是近年來研究和應(yīng)用的熱點，輕小型無人機(jī)因其獲取影像機(jī)動靈活、影像分辨率高、成本低等優(yōu)勢,成為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有效補充[7]。低空無人機(jī)航空攝影測量可快速獲取大范圍影像數(shù)據(jù)，結(jié)合傾斜攝影材料還可以生成精確三維模型，在違法測量、應(yīng)急測繪、交通、農(nóng)業(yè)等有著廣泛應(yīng)用。基于“廣州圓”大廈的結(jié)構(gòu)特點，本項目在規(guī)劃驗收測量中引入低空無人機(jī)進(jìn)行傾斜航空攝影，并與地面三維激光精細(xì)掃描技術(shù)相結(jié)合，形成了“空地協(xié)同”的測繪模式，實現(xiàn)了建筑輪廓的快速精確采集。

1.2 復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造給面積計算帶來影響

廣州圓大廈設(shè)計結(jié)構(gòu)類型為混凝土核心筒加鋼支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻為加氣混凝土[8]。工程有23 m的大懸挑，外面有兩層網(wǎng)狀支架，施工難度極大，部分工藝構(gòu)造是國內(nèi)首次應(yīng)用。大廈主體構(gòu)造極不規(guī)則：地下2層高4.2 m，地下1層高5.2 m，地上首層高6.96 m、2、3層高5 m、4層高4.1 m、其余層高4 m；地上33層和地下2層，地下2層為車庫。地上一共33層的建筑物，在27層還需要轉(zhuǎn)換一次電梯。由于主體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，加之有挑層錯層又層層交錯，導(dǎo)致建筑單元和功能區(qū)愈加復(fù)雜。

規(guī)劃驗收測量需詳細(xì)測繪并體現(xiàn)房屋分層平面布局、單元戶型結(jié)構(gòu)、樓梯、公共過道、公建設(shè)施用房、設(shè)備用房、管理用房、核心筒、停車泊位等內(nèi)容，并形成分層平面圖。高低錯落分布的單元和功能區(qū)，在平面和立面投影上特別復(fù)雜，也給層高測量和功能區(qū)面積計算等工作帶來較大困難。

為此，項目組嚴(yán)密籌劃精心設(shè)計，結(jié)合工程特點采用三維激光掃描技術(shù)手段，使外業(yè)數(shù)據(jù)采集突破傳統(tǒng)的單點采集模式，數(shù)據(jù)量的獲取達(dá)到30萬點/s[9]，極大地縮短了外業(yè)工作時間，有效提高了作業(yè)效率。同時，基于廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)平臺自主研發(fā)了具有相應(yīng)功能的信息化測繪軟件，集數(shù)字化地形圖成圖、編繪及數(shù)據(jù)整理入庫，以及竣工驗收測量平面位置關(guān)系圖、立面圖、面積圖繪制計算等多功能于一體，避免了多種軟件之間轉(zhuǎn)換精度損失，大大增強了內(nèi)業(yè)處理效率。

1.3 超大型玻璃幕墻為測量工作帶來挑戰(zhàn)

出于外觀和節(jié)能的綜合考慮，廣州圓大廈設(shè)計采用的是金色特種低輻射玻璃，玻璃幕墻總面積超過4萬m2。玻璃表面采用高科技涂料，太陽直射時看不到金黃色，隨著視角的變化玻璃顏色會發(fā)生變化。這種玻璃具有優(yōu)異的透光性，白天室內(nèi)基本使用自然光，同時也有良好的隔熱效果，能將輻射熱量有效反射，達(dá)到少開空調(diào)的節(jié)能效果。與現(xiàn)有的高層建筑(如珠江新城西塔、廣州塔)不同，廣州圓大廈的玻璃面積和形態(tài)各不相同，其中最小的僅有0.15 m2，最大一塊達(dá)7 m2，總共有30多種形狀。

這種大面積和非規(guī)則玻璃墻面的使用顯著增加了立面和特征輪廓采集的難度和工作量。由于幕墻的通透性，采集碎部點時免棱鏡全站儀不能直接通過反射獲取數(shù)據(jù)，一般必須通過使用小棱鏡來獲取。同時，采用三維激光掃描時也必須充分進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，提取和利用玻璃邊框處有效數(shù)據(jù)參與內(nèi)插才能確保幕墻的測量精度。為此，項目組在立面關(guān)鍵部位測繪中，綜合使用手持測距儀、全站儀、激光掃描儀等多種設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，以多種測繪手段互為補充、互為驗證，提高了成果可靠性。應(yīng)當(dāng)看到，雖然三維激光掃描在通透材質(zhì)的建筑物數(shù)據(jù)采集中有一定的局限性，但得益于先進(jìn)和高速的掃描技術(shù)，在類似結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超大規(guī)模的測量中仍有著明顯優(yōu)勢。

2 技術(shù)實施

2.1 三維動態(tài)模式的CORS控制測量

按照建筑物竣工驗收測量技術(shù)方案的總體要求，空地協(xié)調(diào)測繪的作業(yè)從無人機(jī)到全站儀，再到三維激光掃描設(shè)備，各作業(yè)小組、各作業(yè)模式均統(tǒng)一使用同一套控制網(wǎng)，并與精密施工控制網(wǎng)保持一致，減少控制點精度差異。項目的圖根控制直接采用廣州市連續(xù)運行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)，并與廣州市似大地水準(zhǔn)面成果(GZGEOID)緊密結(jié)合，利用亞厘米級高精度GZGEOID計算正常高[10]，以動態(tài)測量的模式直接獲取三維坐標(biāo)。

作業(yè)現(xiàn)場除廣州坐標(biāo)和高程外，還基于遠(yuǎn)程模式的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(GZGeoTrans)[11]直接獲取嚴(yán)密的WGS-84三維地心坐標(biāo)、CGCS2000坐標(biāo)和局部施工坐標(biāo)，以滿足多種用途。GZGeoTrans與CORS平臺無縫連接，直接支持測量手簿移動端作業(yè)，使用便捷且安全可靠，坐標(biāo)實時轉(zhuǎn)換效率得到了極大提高，也兼顧了甲方的工程作業(yè)要求。經(jīng)與既有控制成果作比對統(tǒng)計，RTK成果平面精度優(yōu)于1.0 cm，高程優(yōu)于1.7 cm，測量點對的邊長最弱相對精度優(yōu)于1/6000，根據(jù)《廣州市GNSS RTK測量技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范要求，完全滿足城市三級控制點精度，見表1。

表1 三級RTK控制點檢測精度統(tǒng)計

注：(1)較差個數(shù)小于20個統(tǒng)計平均值，大于20個統(tǒng)計中誤差；

(2)S為測距，單位m。

2.2 基于傾斜攝影的無人機(jī)低空測量

項目采用瑞士Sensefly公司的無人機(jī)系統(tǒng)對廣州圓大廈及周邊用地進(jìn)行低空航攝?？紤]用地范圍內(nèi)西側(cè)和北側(cè)有高架橋，東側(cè)有高壓塔，南側(cè)為珠江水域，科研樓建筑設(shè)計高度為138 m，綜合現(xiàn)場各種情況，無人機(jī)起飛和降落點選擇在西南側(cè)一處草坪?，F(xiàn)場用eMotion2軟件設(shè)置飛行區(qū)域，旁向重疊與航向重疊均為70%。因需制作用地范圍內(nèi)的三維模型，選擇航線交叉飛行。最終共20條航線，總飛行時間約26 min。

外業(yè)飛行完畢，用eMotion2和Postflight Terra 3D軟件處理航拍照片，生成飛行區(qū)域的三維模型和正射影像圖。經(jīng)過精細(xì)濾波和局部修正后，利用點云影像數(shù)據(jù)對建筑場景進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到反映建筑物表面幾何結(jié)構(gòu)的三維信息，并進(jìn)行航站樓三維精細(xì)模型的構(gòu)建。生成的正射影像圖可用于內(nèi)業(yè)連線，檢查員檢查地形圖。正射影像圖和三維模型也為建設(shè)單位提供更加多樣化和直觀的竣工規(guī)劃驗收測量成果，如圖1所示。

圖1 廣州圓大廈及周邊用地三維影像

2.3 多模式的三維激光精細(xì)掃描測量

三維激光掃描突破了單點精確測量的局限，目前已在硬件裝備、三維點云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用3個方面取得了巨大的進(jìn)步[9，12]。它克服了規(guī)劃驗收測量局限性，不再利用皮尺、測距儀等直接量取長寬高，而是對建筑物進(jìn)行大規(guī)模無接觸掃描，同時將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換處理，解決了建筑物立面數(shù)據(jù)人工采集帶來的精度損失、效率損失等問題，尤其是解決了高層建筑物立面元素?zé)o法量測的問題，具有快速、無接觸、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點。以點云形式獲取建筑物表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)，為快速測制建筑物的立面圖提供了一種全新的技術(shù)手段，同時還可以較為便利地建立高分辨3D模型。

項目采用Riegl VZ400和FARO Focus3D×330設(shè)備進(jìn)行了多種模式的聯(lián)合激光掃描。Riegl掃描儀在廣州圓四周共掃描22站，F(xiàn)ARO掃描儀在廣州圓10層內(nèi)圓中空位置共掃描10站。經(jīng)過Riscan Pro軟件的數(shù)據(jù)初配準(zhǔn)和ICP自動精配準(zhǔn)，將外業(yè)掃描的各站點云數(shù)據(jù)置于同一個坐標(biāo)系下，進(jìn)行濾波后輸出點云數(shù)據(jù)。對點云數(shù)據(jù)在不同高度作切片處理，可直接繪制各層輪廓線，也可直接用于各層的面積計算。

2.4 信息化測繪軟件的內(nèi)業(yè)自動處理

項目的數(shù)字化地形圖成圖、編繪及數(shù)據(jù)整理入庫，竣工驗收測量平面位置關(guān)系圖、立面圖的制作及面積計算等全流程都是基于自主研發(fā)的內(nèi)外業(yè)一體化軟件——廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息測繪平臺來完成。平臺提供了從外業(yè)數(shù)據(jù)采集記錄、內(nèi)業(yè)控制網(wǎng)平差計算、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、地形圖繪制、GIS前端數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等成套的作業(yè)模塊，使得外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)圖形繪制、屬性內(nèi)容錄入集成在一個平臺系統(tǒng)中，簡化了作業(yè)的中間過程及對其他軟件的依賴，如圖2所示。

圖2 驗收平面位置關(guān)系圖

傳統(tǒng)的規(guī)劃驗收測量面積匯總表和建設(shè)工程規(guī)劃驗收概況一般采用手工錄入信息計算匯總的方式。采用新開發(fā)的廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息化測繪平臺后，面積計算完成后，面積匯總表和建設(shè)工程規(guī)劃驗收概況即可自動生成，不僅提高了工作效率，也減少了多環(huán)節(jié)人工錄入信息易產(chǎn)生的錯誤。項目為業(yè)主方提供了《廣州市建設(shè)工程規(guī)劃驗收測量記錄冊》1冊、正射影像圖1份、三維模型1個，所提供的資料地理精度、數(shù)學(xué)精度等符合驗收測量的要求。相關(guān)測量數(shù)據(jù)有力地輔助了規(guī)劃行政技術(shù)審查，經(jīng)比對，建設(shè)工程現(xiàn)場基本符合規(guī)劃驗收測量要求，部分間距略大于批準(zhǔn)間距。城市規(guī)劃管理部門依據(jù)竣工驗收測量成果及時做出批復(fù)，使該工程順利通過規(guī)劃驗收。

3 結(jié) 語

廣州圓大廈設(shè)計獨特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測繪面積大，精度要求高，項目組克服不利條件，在規(guī)劃驗收測量中引入了低空無人機(jī)進(jìn)行傾斜航空攝影，并與地面三維激光精細(xì)掃描技術(shù)相結(jié)合。在幕墻等關(guān)鍵部位測繪中， 綜合使用手持測距儀、全站儀、激光掃描儀等多種設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，以多種測繪手段互為補充、互為驗證，提高了成果可靠性，形成了空地協(xié)同的測繪模式，實現(xiàn)了建筑特征數(shù)據(jù)的快速精確采集，極大地縮短了外業(yè)工作時間，有效提高了作業(yè)效率。

雖然三維激光掃描在通透材質(zhì)的建筑物數(shù)據(jù)采集中有一定的局限性，但在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超大規(guī)模建筑物測量中仍有著明顯優(yōu)勢。利用生成的竣工3D模型與建筑物報建直接進(jìn)行比對，可滿足規(guī)劃審批的需要，也探索驗證了城市重大建筑物、標(biāo)志性建筑物的精細(xì)驗收新模式。