三維激光掃描技術和低空無人機在異形建筑竣工測量中的應用

李文國

(廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 前 言

隨著建筑設計及施工技術的發(fā)展，出現了越來越多的異形建筑。異形建筑顧名思義即特殊形狀的建筑體，主要指建筑幕墻表面整體的形態(tài)呈曲面而表現出較為特殊的立面及空間效果，展現出極強的視覺沖擊力和感染力。針對一般建筑的竣工測量，因外輪廓垂直地面、平面形狀較為規(guī)整，采用傳統儀器方法即可完成數據采集，如全站儀、GPS-RTK。但是傳統的測量方法均是相互獨立的單點測量模式，異形建筑特征點難以取舍，內業(yè)成圖各構筑物要素不易表達[1]，難以全面反映異形建筑在空間的連續(xù)變化情況，尤其是外輪廓呈現為曲面、剖面為曲線的異形建筑，若繼續(xù)采用傳統測量方法，不僅工作量大，而且測量難度也大。

三維激光掃描技術突破了傳統的單點測量模式，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據，為異形建筑的竣工測量提供了很好的解決方案。由于三維激光掃描技術具有良好的技術特性，已逐步應用于各相關領域，部分學者探索過三維激光掃描技術在異形建筑、結構復雜建筑、超大規(guī)模建筑竣工測量中的應用研究[1～3]，該方法在異形建筑物的竣工測量中具有無可替代的優(yōu)勢[1]。

近年來，低空無人機航測技術快速發(fā)展，具有便利性強、成本低、功能多、靈活性高的特點[4]，在獲取正射影像圖、三維建模、智慧城市建設、城市規(guī)劃、應急救災等方面都有廣泛的應用，為解決工程領域的難題提供了新的解決思路。有學者研究過無人機在地形圖測繪中的應用[4～6]，可滿足規(guī)劃竣工地形圖的精度要求，能夠極大地提高地形圖繪制效率，同時獲取直觀影像，既豐富了竣工測量成果，也為立面圖的繪制、面積分層計算提供了很好的判別依據。因而，針對異形建筑的竣工測量，將三維激光掃描技術和低空無人機航測技術結合起來，既可以解決異形建筑物信息獲取問題，又可以提高作業(yè)效率，是一個值得研究的方向。

2 三維激光掃描技術在異形建筑竣工測量中的應用

2.1 三維激光掃描竣工測量流程

三維激光掃描技術是一種全自動高精度立體掃描技術，可以深入到任何復雜環(huán)境中進行掃描操作，大面積、高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。針對異形建筑表面特征點數據不易準確獲取的情況，可利用地面三維激光技術獲取建筑物密集點云數據，并輔助傳統全站儀測量方法，通過相關技術手段精確、快速地繪制建筑物平面、立面等圖形。作業(yè)流程如圖1所示。

2.2 異形建筑分層面積計算

異形建筑剖面外輪廓一般為曲線或斜線，分為外傾斜或內傾斜。根據面積計算相關規(guī)范，建筑物墻體有內傾斜、曲線等非垂直面墻體構成，按層高在 2.20 m以上，或無法直接測量層高時按其室內凈空 2.10 m以上部分(含 2.10 m)的水平投影計算全部建筑面積；建筑物墻體外傾斜時，超出底板外沿的，按底板外沿計算全面積[7]。外傾斜面積計算與內傾斜面積計算如圖2、圖3所示。

圖1 三維激光掃描測量作業(yè)流程

圖2 外傾斜面積計算

圖3 內傾斜面積計算

采用三維激光掃描技術獲取異形建筑點云數據后，利用切片法獲取分層平面點云，剔除噪聲點云后采用擬合法對提取出的平面點云擬合出輪廓走向，得到分層平面圖，進而計算出各層建筑面積。

2.3 異形建筑立面圖制作

立面圖表示出的內容應能體現出建筑造型的特點，主要由能表現出建筑物基本形狀和重要特征的輪廓線構成。常規(guī)建筑的外輪廓垂直地面、平面形狀較為規(guī)整，立面圖繪制較為簡單，異形建筑的外輪廓為曲線或不規(guī)則斜線，常規(guī)繪制方法需經全站儀采集數據并經內業(yè)擬合，無法準確表達立面特征，且繪制復雜，可基于點云數據進行特征提取，經局部修補即可生成精確的立面圖。具體流程如圖4所示：

圖4 立面圖繪制流程圖

3 低空無人機在異形建筑竣工測量中的應用

低空無人機作為一種現階段較為成熟的低空對地觀測手段，具有易于操控、獲取影像周期短、作業(yè)機動性強等特點。基于上述特點，利用無人機傾斜攝影測量技術，通過航線交叉飛行，可以獲取 1∶500竣工地形圖、正射影像圖、三維影像圖，相對于常規(guī)測量方式，不僅能提升生產效率，還能為規(guī)劃竣工驗收提供更為豐富、直觀的數據信息，輔助行政審批部門管理決策。低空無人機航空攝影輔助竣工測量流程如圖5所示。

圖5 低空無人機航空攝影輔助竣工測量流程

4 應用案例

4.1 工程概況

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心(以下簡稱“審協廣東中心”)隸屬國家知識產權局專利局，位于中新廣州知識城，審協廣東中心鳥瞰圖如圖6所示，總占地面積 66 669 m2，包括多幢異形建筑體，總建筑面積近20萬平方米。審協廣東中心采用GRC內外一體式幕墻體系，建筑物外輪廓呈現為曲面、剖面為曲線，其外廓帶有曲面、斜面和退層，并有一定的傾斜角度，作為規(guī)劃竣工驗收測量重要成果的建筑平面和立面信息數據，使用常規(guī)測量方法難以獲取。

圖6 審協廣東中心鳥瞰圖

4.2 作業(yè)流程

審協廣東中心建筑體造型獨特、結構復雜，為獲取準確的數據，采用了三維激光掃描技術、低空無人機航空攝影測量技術，利用廣州市規(guī)劃基礎信息平臺，生成建筑物平面位置關系圖、竣工測量地形圖、面積計算示意圖、立面線圖，測量流程如圖7所示。

4.3 面積計算

本工程利用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀獲取建筑物海量點云數據，后期采用RiscanPro及3ds Max處理點云數據，采用彎管目鏡輔助全站儀三角高程法測量各層建筑物標高，如圖8所示，得到各層樓高。根據建筑物墻體內外傾斜不同情況，設置不同的切片高度，如圖9所示，切片獲取分層平面點云，經處理后擬合平面輪廓，進而計算得到各層建筑面積。

圖7基于三維激光掃描、低空無人機技術的竣工測量流程

圖8 點云切片標高設置

圖9 分層切面線生成

4.4 繪制立面圖

將已提取的建筑物特征點云導入3ds Max中，通過建筑物CCD數字圖像等輔助信息，對特征點云經人機交互特征追蹤進行連接。經過上述操作之后，特征點集被轉換為輪廓線集，實現了建筑物的立面模型重建。此外，由于樹木等障礙物的遮擋，建筑物特征線會出現空洞或斷續(xù)現象，則根據CCD數字圖像、實測尺寸等信息對空洞區(qū)域或未連接的部分進行修補和連接，從而構建出完整的建筑物立面線劃圖，如圖10所示。

圖10 建筑物立面線劃模型生成

4.5 制作影像圖、竣工地形圖

采用瑞士生產的ebee無人機系統對審協廣東中心地塊進行低空航空攝影測量，現場使用隨機飛控軟件設置飛行區(qū)域、劃分航線，分辨率設置為 5 cm，旁向重疊與航向重疊均為70%，飛行模式為交叉飛行，以便制作三維模型。飛行一個架次，共生產25條航線，飛行時間約 30 min。外業(yè)飛行完畢后，利用eMotion2軟件和Postflight Terra 3D軟件后處理航片，生產三維模型和正射影像圖，基于EPS平臺輔助制作竣工測量地形圖，正射影像圖如圖11所示。

圖11 正射影像圖

經綜合采用三維激光掃描技術、低空無人機航空攝影測量等測量方法，最終生產的成果包括控制測量資料、面積計算資料、竣工測量平面圖、竣工測量立面圖、竣工測量地形圖、正射影像圖、三維模型，提高了工作效率，為行政審批部門提供了翔實的現場數據。

5 結 語

隨著城市化進程的加快，施工技術的進步，異形建筑以其獨特的面貌出現在世人面前，在帶來視覺沖擊的同時，也給竣工測量帶來了挑戰(zhàn)，傳統竣工測量方式已無法滿足審批部門對精度、時效、規(guī)劃管理的需求。本文以審協廣東中心為實例，介紹了三維激光掃描技術、低空無人機應用于異形建筑竣工測量的思路和方法，利用三維激光掃描技術進行建筑面積測量、立面圖測制，采用低空無人機航空攝影測量技術進行竣工地形圖測量、三維模型與正射影像圖制作，解決了異形建筑物分層面積計算及平面圖、立面圖、竣工測量地形圖繪制問題，提高了工作效率。