三維激光掃描技術(shù)在異型建筑物施工軸線檢測中的應(yīng)用

徐亞軍，謝海榮，袁小軍，車紅磊

(南通市測繪院有限公司，江蘇 南通 226006)

隨著城市建設(shè)不斷加速，各城市爭相建設(shè)形式多樣的標(biāo)志性建筑，使得外形新穎、構(gòu)造獨(dú)特的異形建筑涌現(xiàn)在各個城市的新區(qū)、新城、CBD。異型建筑在給人們帶來視覺享受的同時，給建設(shè)施工、質(zhì)檢驗(yàn)收也帶來了新的難度和挑戰(zhàn)，異型建筑特征點(diǎn)難以選取，內(nèi)業(yè)成圖各構(gòu)筑物要素不易表達(dá)，難以全面反映異型建筑在空間的連續(xù)變化情況[1- 2]。

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種新型全自動高精度立體掃描技術(shù)，可以在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，為異型建筑檢測測量提供了有效的解決方案。它突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量模式，以點(diǎn)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)，進(jìn)而快速重構(gòu)出實(shí)體目標(biāo)的三維模型及點(diǎn)、線、面、體、空間等各種數(shù)據(jù)，通過海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行各種尺寸量算[3- 5]。

南通中央商務(wù)區(qū)某幢建筑物是非常典型的異型結(jié)構(gòu)建筑物(如圖1、圖2所示)，該幢建筑物共計(jì)30層,屋面高度為128.75 m，結(jié)構(gòu)已封頂；其軸柱為圓柱，每根軸柱由1層至30層，總體呈“S”形，在每層分布有軸柱16根，每根柱直徑、傾斜角度均不一致。本文以該建筑軸柱檢測為例，介紹如何應(yīng)用三維激光掃描儀進(jìn)行異型建筑物施工軸線檢測，為其他類型建筑物提供借鑒。

1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1.1 控制點(diǎn)布設(shè)

為保證各層掃描數(shù)據(jù)具有較高精度的絕對坐標(biāo)及內(nèi)符合性，綜合考慮該建筑周邊地形、地貌等情況，采用自由坐標(biāo)系布設(shè)控制點(diǎn)，在該建筑物9層和該建筑物東南約140 m處建筑物26層分別選取1個點(diǎn)位，作為整個項(xiàng)目的平面控制點(diǎn)。

在建筑物每層選取一個工作基點(diǎn)，以新布設(shè)的平面控制點(diǎn)采用極坐標(biāo)法進(jìn)行點(diǎn)位觀測，為減少測距、測角帶來的影響，每層工作基點(diǎn)均選取在上下樓層相對應(yīng)的位置。

利用每層的工作基點(diǎn)和平面控制點(diǎn)，在每層布設(shè)不少于3個測量控制點(diǎn)，并采集三維坐標(biāo)[6- 7]。

1.2 施工軸線聯(lián)測

利用1層布設(shè)的工作基點(diǎn)，采用極坐標(biāo)法采集施工軸線的坐標(biāo)，建立施工坐標(biāo)系與自由坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。

1.3 測站布設(shè)

本項(xiàng)目以層為單位進(jìn)行三維激光外業(yè)掃描，掃描對象為各層16根軸柱(如圖3所示)。掃描前先對每層的環(huán)境進(jìn)行踏勘，清理柱子周邊障礙物，去除障礙物噪點(diǎn)；同時確定掃描儀和標(biāo)靶球布設(shè)的位置，確保軸柱點(diǎn)云完整性，保證有足夠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)反映軸柱的空間位置和姿態(tài)。

掃描時對儀器進(jìn)行整平，為確保測量的精度要求，將掃描分辨率設(shè)置為高檔，每站掃描結(jié)束后，現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)掃描質(zhì)量，對不合格的進(jìn)行重新掃描。為了保證后續(xù)工作順利完成，在測站上做好觀測記錄，確認(rèn)相關(guān)工作無誤后，儀器移到下一測站進(jìn)行掃描。

1.4 標(biāo)靶布設(shè)

本次掃描采用的是球形標(biāo)靶和平面標(biāo)靶。外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，在掃描對象附近至少擺放3個球形標(biāo)靶，相鄰兩掃描站的公共標(biāo)靶個數(shù)不少于3個，同時根據(jù)需要對球形標(biāo)靶進(jìn)行了精掃。為了提高點(diǎn)云精度，每層均采取閉合環(huán)方式進(jìn)行掃描作業(yè)。

2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

由于各測站有至少3個公共的球形標(biāo)靶，故采用Trimble RealWorks軟件自動提取球形標(biāo)靶中心[8]，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云自動配準(zhǔn)，配準(zhǔn)殘差在1 mm左右，如圖4所示。

將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一到自由坐標(biāo)系下。各層掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度見表1。

表1 各層測站數(shù)與配準(zhǔn)精度

2.2 精度驗(yàn)證

由施工軸線聯(lián)測建立的施工坐標(biāo)系與自由坐標(biāo)系之間位置關(guān)系，將自由坐標(biāo)系下的點(diǎn)云統(tǒng)一到施工坐標(biāo)系中，為確保軸柱檢測數(shù)據(jù)的精度，須對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。本文對該異型建筑物核心筒檢測坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行對比，驗(yàn)證核心筒的平面絕對位置精度[9]，來評估點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性。核心筒檢測值與設(shè)計(jì)值較差中誤差為11 mm，具體見表2。

表2 核心筒平面絕對位置精度統(tǒng)計(jì)

2.3 軸柱柱底圓心獲取

根據(jù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對每層每個軸柱建立三維模型，主要提取每個軸柱的點(diǎn)云，自動擬合最符合實(shí)際情況的圓柱，提取圓柱軸線，再求出圓柱軸線與樓層結(jié)構(gòu)地坪平面的交點(diǎn)坐標(biāo)，即軸柱柱底圓心坐標(biāo)。如圖5所示。

2.4 設(shè)計(jì)比對

根據(jù)建立的施工軸線與自由坐標(biāo)系間的位置關(guān)系及委托方提供的施工圖紙， 推算出每層每個柱子與樓層結(jié)構(gòu)地坪相交面的圓心坐標(biāo)，并與設(shè)計(jì)圓心坐標(biāo)進(jìn)行對比，計(jì)算坐標(biāo)分量偏差，最終數(shù)據(jù)應(yīng)歸算至施工坐標(biāo)系下，具體成果見表3。其中較差ΔX為正表示測量柱底圓心較設(shè)計(jì)位置偏北，反之偏南；較差ΔY為正表示測量柱底圓心較設(shè)計(jì)位置偏東，反之偏西。

3 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)是一種實(shí)景復(fù)制技術(shù)，其具有非接觸、全自動數(shù)據(jù)獲取速度快，精度高的優(yōu)勢。本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于異型建筑物施工軸線檢測中，可獲取異型建筑物完整點(diǎn)云，這是傳統(tǒng)測量手段無法實(shí)現(xiàn)的，并通過精度評估，在生產(chǎn)中驗(yàn)證了其可行性與可靠性，為三維激光掃描技術(shù)在工程中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)提高數(shù)據(jù)處理自動化水平是進(jìn)一步研究方向[10]。

表3 異型建筑物某層柱體垂直度檢測成果