基于三維激光掃描技術的竣工測量研究

王宗輝

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741020）

關鍵字：竣工測量；三維激光掃描；數(shù)據(jù)處理；三維建模

隨著城市的迅速擴張，城市建筑物的不斷增加，建筑竣工測量既能夠保障城市規(guī)劃測繪數(shù)據(jù)庫隨時更新，又能確保城市規(guī)劃和土地管理的合理性，竣工測量工作作為規(guī)劃驗收工作過程中的一項重要工作內(nèi)容也越來越被重視，竣工測量指的是（包括地面工程建設和地下工程建設）檢驗各項工程施工的現(xiàn)狀、做出記錄，并根據(jù)規(guī)劃審批的各項要求、施工規(guī)范等技術標準，為工程驗收和評定工程質(zhì)量提供依據(jù)[1]。

依據(jù)《城市建設工程竣工測量成果規(guī)范（CH/T6001-2014）》的相關要求，竣工測量的主要工作內(nèi)容有高度測量、立面測量、建筑物面積計算以及地形圖測繪等工作。傳統(tǒng)竣工測量使用普通全站儀或免棱鏡全站儀對建筑物的三維坐標進行測量，立面圖測量過程中必須通過人工量算相關具體數(shù)據(jù)，使用高清相機拍攝建筑物外立面照片，然后將測量數(shù)據(jù)導入CAD繪圖軟件中，依照外業(yè)草圖繪制建筑立面圖[2]。

雖然傳統(tǒng)測量方法能夠完成竣工測量工作，但是由于現(xiàn)代建筑藝術的不斷發(fā)展，各種造型別致、形態(tài)各異的建筑不斷涌現(xiàn)，遇到這種異形建筑,傳統(tǒng)測量方法不僅適投入人員多、工作量大，而且測量的難度也隨之遞增[3]。因此，如何利用現(xiàn)代測繪技術解決異形建筑的竣工測量問題尤為迫切，本文就三維激光掃描技術在建筑物竣工測量過程中的應用進行了研究。

1 三維激光掃描技術及其原理

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。它通過高速激光掃描測量的方法，以被測對象的采樣點（離散點）集合—稱之為“點云”的形式獲取物體或地形表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)[4]。

三維激光掃描儀基本原理是由激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖信號，經(jīng)建筑物表面反射至激光接收器，故（其中v為激光脈沖傳播速度，t為發(fā)射器至接收器的時間差）；同時利用三維激光掃描儀獲取水平角α和俯仰角β，推算坐標方位角和豎直角，進而計算目標點的坐標（X，Y，H）。計算方法為：

其工作原理和坐標計算原理見圖1、圖2。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

根據(jù)三維激光掃描技術的原理，結(jié)合天寶GX的工作模式，首先進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，主要通過控制測量及三維掃描數(shù)據(jù)采集等工作進行基礎數(shù)據(jù)的獲取，內(nèi)業(yè)工作主要利用點云數(shù)據(jù)處理軟件例如天寶配置的RealWorks Survey Advanced處理采集的數(shù)據(jù)，主要有影像匹配和數(shù)據(jù)降噪等工作。通過最終數(shù)據(jù)進行面積計算、立面繪制等工作完成竣工測量工作。具體流程如圖3所示。

圖2 三維激光掃描儀坐標計算原理

2 工程說明及作業(yè)流程

根據(jù)三維激光掃描技術的工作模式，對建筑物采集詳細點云數(shù)據(jù)，以立體的三維建模軟件為展現(xiàn)平臺，構(gòu)建建筑物的三維立體模型，進而提取相關竣工測量的數(shù)據(jù)需求，其工作流程如圖3所示。

圖3 三維激光掃描技術工作流程

3 外業(yè)作業(yè)

1）控制測量：根據(jù)技術需求及規(guī)范要求，為了保障測繪數(shù)據(jù)的一致性，在測繪區(qū)域布設與原有施工控制網(wǎng)一致的坐標系，同時檢驗施工控制網(wǎng)中的GPS點精度，經(jīng)檢查精度滿足項目要求。

2）標志點測繪：為了保證觀測匹配、檢查精度,利用控制點測繪目標建筑物的相關標志點如屋角點、屋頂點及周邊地形地物點等點位的三維坐標，并進行數(shù)據(jù)處理和整合工作。

3）激光掃描測量數(shù)據(jù)采集

本工程數(shù)據(jù)采集采用天寶GX三維激光掃描儀，其主要參數(shù)見表1。

表1 工程數(shù)據(jù)采集

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.1 點云數(shù)據(jù)處理

點云拼接的主要任務是將多個測站的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一坐標系，并對數(shù)據(jù)精度進行檢查。根據(jù)前期的設站坐標，利用標靶將每個獨立站的坐標進行旋轉(zhuǎn)和平移，統(tǒng)一到同樣一個坐標系中，此過程中可以利用圖像進行檢查。

為了防止在數(shù)據(jù)采集過程中丟失數(shù)據(jù)，一般在前期數(shù)據(jù)采集時采集點非常密集，所以在點云數(shù)據(jù)處理時需要進行分類濾波、抽稀等工作。點云濾波主要是對原始點云數(shù)據(jù)進行分類過濾，去除樹木等非必要性數(shù)據(jù)影響；抽稀主要是將去除點云數(shù)據(jù)中的多余點，提取關鍵點以提升數(shù)據(jù)的使用效率和數(shù)據(jù)處理速度；建筑物的特征提取主要是提取建筑物的邊界、提取標志性目標、提取建筑物立面范圍線以及細節(jié)特征提取等內(nèi)容。

4.2 三維建模

對處理后的點云數(shù)據(jù)進行建模，利用拍攝圖片進行紋理映射，對于規(guī)則表面和特征豐富的多維曲面區(qū)別對待，提高建模精度和工作效率[5]。以前期建筑物特征提取的數(shù)據(jù)基礎進行建筑物粗模。根據(jù)粗模利用Smart 3D Capture軟件利用人工干預建立高精度三維模型。為了更直觀的反映三維模型，外業(yè)過程中采集的數(shù)字影像可以進行匹配，以達到圖像的最佳有效性。

5 竣工驗收

竣工驗收的過程主要有基礎數(shù)據(jù)檢查、標高檢查、點位精度分析、建筑面積檢查、控高檢查、立面圖檢查等工作?；A數(shù)據(jù)檢查是利用基礎點云數(shù)據(jù)形成的竣工圖紙與原有規(guī)劃數(shù)據(jù)進行疊加精度檢查，確認總平面圖的數(shù)據(jù)正確性和建筑的完整性；標高分析通過檢查建筑物模型的標高，確認是否滿足±0要求施工精度要求；點位精度分析主要是檢查建筑物是否在放樣過程中存在誤差，導致建筑物發(fā)生偏移；建筑面積檢查主要是檢查總建筑面積是否與原有規(guī)劃許可證和設計一致，檢查各棟、各層建筑是否有差異；控高檢查主要檢查施工結(jié)束后是否與原有設計高度存在差異，是否有超高；立面圖檢查主要檢查建筑物立面是否與原有設計一致。

6 結(jié)語

三維激光掃描技術在竣工測量中的應用，與傳統(tǒng)的測量手段相比,優(yōu)點一是三維激光掃描技術的測量速度更快，點云數(shù)據(jù)更能反映建筑物的實際數(shù)據(jù)；二是三維激光掃描采集的數(shù)據(jù)在進行建筑面積檢查、控高檢查、立面圖檢查過程中較為方便。但由于數(shù)據(jù)采集手段的特殊性，在處理相關特殊建筑物（例如玻璃幕墻）時，點云數(shù)據(jù)獲取較為困難，仍然需要進行更嚴格的驗證和研究。