基于Leica三維激光掃描儀的建筑物日照分析測(cè)量

李強(qiáng)

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

1 引 言

日照權(quán)又稱“自然采光權(quán)”，指建筑物使用人享有獲取日光照射的權(quán)利。建筑物日照權(quán)已在2007年我國(guó)頒布實(shí)施的《物權(quán)法》中進(jìn)行了明確具體的規(guī)定，因此新建的建筑物，對(duì)附近已有建筑物的陽(yáng)光遮擋，必須滿足國(guó)家住宅日照標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。對(duì)日照分析所涉及的已建建筑物進(jìn)行實(shí)地測(cè)量從而為日照分析工作提供可靠資料已成為城市測(cè)繪單位一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容[2]。

三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)通過(guò)非接觸式高速激光掃描測(cè)量，以陣列式點(diǎn)云的形式獲取物體表面三維空間數(shù)據(jù)的新技術(shù)[3]，將傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量發(fā)展為面測(cè)量，可以高效率、高質(zhì)量、低成本地獲取海量的空間數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)的特征信息。三維激光掃描儀以點(diǎn)云形式獲取建筑物表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)，可以快速、大量地采集建筑物立面信息，為日照分析測(cè)量提供了一種全新的技術(shù)手段[4]。

2 日照分析測(cè)量的內(nèi)容和要求

日照分析的原理就是根據(jù)建筑所在地的太陽(yáng)方位角、高度角等信息，通過(guò)投影原理計(jì)算擬建建筑物和已有建筑物之間的遮擋關(guān)系。日照分析測(cè)量就是對(duì)日照分析所涉及的已有建筑進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，為日照分析提供可靠的測(cè)繪資料。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)建筑物有效日照時(shí)間進(jìn)行了明確的規(guī)定[1]，應(yīng)滿足大寒日日照時(shí)數(shù)應(yīng)不小于 2 h。根據(jù)沈陽(yáng)市的有關(guān)規(guī)定，需要對(duì)擬建建筑高度1.5倍扇形范圍的已有建筑進(jìn)行日照遮擋分析，并對(duì)被遮擋建筑進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

根據(jù)日照分析的數(shù)據(jù)需求，對(duì)已建建筑的測(cè)量應(yīng)包含的要素及測(cè)量要求如下：

(1)建筑物的平面圖，確定建筑物間相互位置關(guān)系的依據(jù)。主要測(cè)繪遮擋、被遮擋建筑主體、房頂及其附屬結(jié)構(gòu)的平面圖。房頂測(cè)量主要針對(duì)遮擋建筑物，對(duì)影響日照效果的房頂結(jié)構(gòu)應(yīng)精確測(cè)量；附屬結(jié)構(gòu)測(cè)繪主要針對(duì)陽(yáng)臺(tái)、檐廊，被遮擋建筑物重點(diǎn)測(cè)量進(jìn)光的部分，露天陽(yáng)臺(tái)和封閉陽(yáng)臺(tái)要區(qū)別繪制。

(2)建筑物的高度，分析確定建筑物間是否存在遮擋的重要因素。遮擋建筑物可能產(chǎn)生陰影的建筑物組成部分如女兒墻、檐口、坡屋頂應(yīng)重點(diǎn)測(cè)量其高程數(shù)據(jù)。

(3)建筑物的立面圖，是日照計(jì)算的重要對(duì)象，也是后續(xù)確定擋光補(bǔ)償?shù)闹匾罁?jù)。遮擋建筑物不需要測(cè)繪立面圖，只標(biāo)明相對(duì)正負(fù)零點(diǎn)的高度，被遮擋建筑物才需要測(cè)繪立面圖，主要是測(cè)繪被遮擋建筑物的門窗，并精確測(cè)定其大小及高度。陽(yáng)臺(tái)、門窗大小的測(cè)量以開(kāi)口大小為準(zhǔn)，由于建筑物建造誤差、儀器觀測(cè)誤差造成的相關(guān)門窗大小、高度不一致等情況，可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，取多個(gè)相同規(guī)格門窗大小高度的平均數(shù)作為最終結(jié)果。

(4)建筑物所在位置高程，科學(xué)的日照分析還需要考慮建筑物所處位置的地形因素。一般選擇建筑物第一層消防通道處的地板高，要找準(zhǔn)位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)要注意不同立面所對(duì)應(yīng)的地面間存在高差的情況。

3 日照分析測(cè)量流程

以沈陽(yáng)市某擬建小區(qū)為例，介紹利用三維激光掃描儀對(duì)已建建筑進(jìn)行日照分析測(cè)量的過(guò)程和方法。該擬建小區(qū)主要為33層高層住宅和臨街2層商鋪，擬建小區(qū)的建筑設(shè)計(jì)圖已提供，因此僅需對(duì)被遮擋建筑物的平立面圖進(jìn)行測(cè)繪。其總體流程圖如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀日照分析測(cè)量流程

3.1 測(cè)量方案制定

(1)儀器選擇

本次日照分析測(cè)量選用的三維激光掃描儀是Leica Scan Station P40，是徠卡最新一代的三維激光掃描儀，集成了具有HDR技術(shù)的高分辨率相機(jī)，方便點(diǎn)云處理和紋理貼圖；精密雙軸補(bǔ)償技術(shù)，精度高達(dá)1.5″，可實(shí)時(shí)補(bǔ)償儀器輕微震動(dòng)帶來(lái)的精度偏差，無(wú)須擔(dān)心掃描儀高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)點(diǎn)云精度的影響，為獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)提供保障。其性能指標(biāo)如表1所示。

Leica Scan Station P40性能指標(biāo) 表1

(2)測(cè)站布設(shè)

測(cè)站布設(shè)應(yīng)考慮掃描數(shù)據(jù)的完整性，測(cè)站點(diǎn)應(yīng)選擇在視野開(kāi)闊處，需要多測(cè)站掃描時(shí)應(yīng)保證測(cè)站間的通視，測(cè)站與測(cè)站之間不小于20%的重疊度，盡量以較少的測(cè)站覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)站布設(shè)在較高且正對(duì)建筑物的位置掃描，以獲取較多的目標(biāo)點(diǎn)，提升數(shù)據(jù)精度。為方便后期點(diǎn)云配準(zhǔn)，各測(cè)站重疊區(qū)域應(yīng)布設(shè)不少于3個(gè)的公共標(biāo)靶，并盡量避免位于同一條直線上。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)制定好的掃描方案架設(shè)三維激光掃描儀，根據(jù)測(cè)站測(cè)量范圍設(shè)定該站的掃描起止角度，掃描分辨率設(shè)定為 3 mm/10 m，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。Leica Scan Station P40集成了高分辨率相機(jī)，可在掃描同時(shí)獲取目標(biāo)的影像信息，方便點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后期應(yīng)用。為保證點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，在場(chǎng)景掃描完成后，對(duì)公共標(biāo)靶以及測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行掃描，以便后期點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)。對(duì)于樹(shù)木、車輛遮擋較嚴(yán)重的部分，還需要結(jié)合手持激光測(cè)距儀對(duì)門窗進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量。

為了將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到沈陽(yáng)市平面和高程系統(tǒng)，需要在測(cè)區(qū)中布設(shè)不少于3個(gè)控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)測(cè)量采用的是網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量的方式，利用了“沈陽(yáng)市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)(SYCORS)”和沈陽(yáng)市似大地水準(zhǔn)面，RTK定位精度可以達(dá)到 2 cm。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用的是Leica公司的點(diǎn)云后處理軟件Cyclone，主要包括兩部分內(nèi)容，分別是點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理又可分為冗余數(shù)據(jù)清理和色彩信息融合。冗余數(shù)據(jù)清理主要是采用人工交互的方式，在點(diǎn)云后處理軟件中清理目標(biāo)前方的遮擋物、掃描有效范圍外的點(diǎn)云等。由于Leica P40掃描儀掃描中心和集成相機(jī)的攝影中心相對(duì)位置固定，色彩信息融合可以利用Cyclone自動(dòng)處理，將影像的色彩信息賦值給點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲得彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 預(yù)處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是利用標(biāo)靶以及布設(shè)的控制點(diǎn)將各個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并為一個(gè)完整統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云過(guò)程。其原理是以標(biāo)靶作為同名點(diǎn)，完成測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，再利用控制點(diǎn)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)納入沈陽(yáng)市的平面系統(tǒng)和高程系統(tǒng)中。Cyclone中標(biāo)靶自動(dòng)配準(zhǔn)中誤差可以達(dá)到 2 mm，控制點(diǎn)配準(zhǔn)中誤差主要取決于RTK的定位精度，中誤差小于 2 cm。經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 配準(zhǔn)后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.4 平立面圖繪制

利用Leica Cyclone附帶的AutoCAD插件Cloudworx可以將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD中，利用CAD強(qiáng)大的矢量編輯功能進(jìn)行平立面圖的繪制。常用的繪制方法主要有三種：特征點(diǎn)法、切片法和投影法。

特征點(diǎn)法是在三維點(diǎn)云模型中立體采集若干特征點(diǎn)，該方法主要應(yīng)用于建筑物所在地面高程點(diǎn)的提取，也可通過(guò)擬合手段，將特征點(diǎn)擬合成線，用來(lái)繪制弧形陽(yáng)臺(tái)等曲線目標(biāo)物。

切片法是通過(guò)定義切平面提取某一高度區(qū)間的點(diǎn)云，根據(jù)一定的取舍原則將這些連串密集碎部點(diǎn)連接起來(lái)，得到建筑物的輪廓線，該方法適用于平面圖的繪制。

投影法，通過(guò)定義不同的投影面，將三維點(diǎn)云模型投影到二維平面，在平面中提取并繪制特征線，該方法主要用于建筑物立面圖的繪制。

實(shí)際項(xiàng)目中需要綜合運(yùn)用上述三種繪制方法，如圖4所示為日照分析測(cè)量中的一個(gè)立面圖的成果。

圖4 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的立面圖

4 效率和精度分析

傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)采集方式主要有：?jiǎn)吸c(diǎn)采集法，例如GPS-RTK、全站儀；基于光學(xué)攝影測(cè)量的近景攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量等[6]。三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的數(shù)據(jù)采集手段，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，在測(cè)量效率和精度上都有了較大提升。

目前日照分析測(cè)量最常用的方式還是全站儀測(cè)量，在此項(xiàng)目中將三維激光掃描儀和全站儀相比，作業(yè)效率提升了約5倍，如表2所示。

三維激光掃描儀和全站儀的單點(diǎn)定位精度都可以達(dá)到毫米級(jí)，在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離方面，三維激光掃描儀受限于掃描分辨率，測(cè)量精度比全站儀略低。選取若干門、窗、墻面，將三維激光掃描儀的測(cè)量結(jié)果同全站儀進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。其最大較差小于 2 cm，平均較差小于 1 cm，能夠滿足日照分析測(cè)量中測(cè)量精度不低于 5 cm的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的日照分析測(cè)量采用的全站儀、水準(zhǔn)儀，三維激光掃描儀有著高效、快速、自動(dòng)化、信息豐富、非接觸等特點(diǎn)。本文將三維激光掃描儀引入到日照分析測(cè)量中，改變了傳統(tǒng)的作業(yè)模式，減少了測(cè)繪工作量，在作業(yè)效率上有了較大的提升，取得了較好的成效。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和平立面圖繪制過(guò)程中如何減少人工干預(yù)，提高數(shù)據(jù)自動(dòng)化提取程度則是今后需要研究?jī)?yōu)化的方向。