三維激光掃描儀在規(guī)劃核實(shí)驗(yàn)收中的應(yīng)用

魏祎華

摘 ?要：規(guī)劃核實(shí)是建設(shè)單位竣工驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)，上海市于2018年4月開始實(shí)施規(guī)劃核實(shí)“兩圖融合”工作，地形測繪的重要性尤為突出，廣大測繪工作者一直在研究如何提升地形測繪的工作效率。三維激光掃描給測繪領(lǐng)域帶來一場技術(shù)革命，它可以快速地獲取高精度掃描數(shù)據(jù)，并對(duì)掃描物體進(jìn)行完整建模，不愧為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。將全站式掃描儀應(yīng)用到地形測繪中，探索應(yīng)用方法與理論，將具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：規(guī)劃核實(shí);全站式掃描儀;地形測繪

中圖分類號(hào)： P228 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

規(guī)劃核實(shí)是建設(shè)單位進(jìn)行竣工驗(yàn)收中的重要環(huán)節(jié)，地形測繪又是其中一個(gè)重要的組成部分;上海于2018年4月開始對(duì)全市的規(guī)劃核實(shí)項(xiàng)目要求進(jìn)行“兩圖融合”，為城市地形圖更新入庫提供數(shù)據(jù)。

三維激光掃描儀是一種以高效、高精度、快速獲取點(diǎn)云矢量坐標(biāo)的儀器漸漸地出現(xiàn)在很多測量工作中，其工作原理是利用掃描儀對(duì)目標(biāo)發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和接受的時(shí)間差來計(jì)算目標(biāo)距離，再結(jié)合水平方向和垂直方向的距離和角度值，即可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維球心坐標(biāo)。這些大量具有矢量性質(zhì)的點(diǎn)組成點(diǎn)云存儲(chǔ)在機(jī)器中[1]。

Trimble SX10集測量、影像和高速3D掃描于一體，SX10單一儀器同時(shí)捕獲高精度的全站儀測量數(shù)據(jù)和真正的高速3D掃描影像，提供的性能比以往任何時(shí)候都更高級(jí)，在600 m測程范圍內(nèi)，能夠同時(shí)保持每秒高達(dá)26 600個(gè)點(diǎn)的高精度數(shù)據(jù)。Trimble Business Center（TBC）可以把Trimble SX10采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全整合成適合內(nèi)業(yè)處理的多種格式，見表1。

1 規(guī)劃核實(shí)中地形測繪的內(nèi)容及要求

地形測繪的具體實(shí)測方法主要參照DG/TJ08—86《1∶500 ?1∶1000 ?1∶2000數(shù)字地形測量規(guī)范》中“6.3 野外地形測量方法”章節(jié)的要求執(zhí)行。

測區(qū)實(shí)行全野外數(shù)字化實(shí)測方式實(shí)測地形，用極坐標(biāo)法測定的建筑物、構(gòu)筑物和圍墻等主要地物特征點(diǎn)數(shù)占其總點(diǎn)數(shù)的比例應(yīng)大于75%。

地形測繪嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行外業(yè)測繪，需實(shí)測的地物應(yīng)做到應(yīng)采盡采，不能遺漏，做到“跑到、看到、量到”。

新建的住宅小區(qū)、企事業(yè)單位等范圍內(nèi)的全部房屋及附屬設(shè)施需實(shí)測。建筑物凹凸部分須按實(shí)際情況進(jìn)行表示，不得舍去。

建筑物的附屬部分主要是指裙房、檐廊、架空通廊、底層陽臺(tái)（無論落地與否）、 門廊、柱廊、天井、臺(tái)階、斜臺(tái)、室外樓梯、建筑物下通道、地下建筑物天窗以及通風(fēng)口等，附屬部分不應(yīng)作為判別建筑物結(jié)構(gòu)的對(duì)象。建筑物附屬部分均應(yīng)實(shí)測，按實(shí)際情況進(jìn)行表示，不得舍去。

建筑物的上下坡道實(shí)測范圍，雙向坡道和單向坡道都用建筑物的上下坡道邊線繪示，范圍線需閉合。雙向坡道的畫法可參照臺(tái)階，可利用符號(hào)部件插入的方式完成。

同一結(jié)構(gòu)不同層次應(yīng)盡量分開繪示。如果難以區(qū)分的，可依其主要的或大部分的層數(shù)注記，零星局部不易劃分或劃分后難以注記的，可并入主體。

臨時(shí)的活動(dòng)房屋、施工單位搭建的臨時(shí)工棚（房）及材料棚等可免測。

圍墻寬度按實(shí)測按實(shí)繪示，且應(yīng)保持主干線連續(xù)完整。

起境界作用的柵欄、籬笆、活樹籬笆、鐵絲網(wǎng)等應(yīng)實(shí)測，且應(yīng)保持主干線連續(xù)完整。

建設(shè)項(xiàng)目的內(nèi)部道路（包括綠化內(nèi)的道路）均需實(shí)測。

地形測繪點(diǎn)位精度要求：重要地物點(diǎn)（建構(gòu)筑物和起境界作用的圍墻、柵欄等）相對(duì)周圍控制點(diǎn)中誤差不超過5 cm，困難區(qū)域，適當(dāng)放寬0.5倍。一般地物點(diǎn)（道路、井蓋、路燈等）相對(duì)周邊控制點(diǎn)的中誤差不超過10 cm，困難地區(qū)，規(guī)定放寬 0.5 倍。

2 三維激光掃描儀外業(yè)采集數(shù)據(jù)

地形測繪中，使用三維激光掃描儀大致分為4個(gè)流程：控制測量、標(biāo)靶布設(shè)、架站選擇和數(shù)據(jù)采集。

2.1 控制測量

地面三維掃描因控制點(diǎn)具體可分為絕對(duì)掃描和相對(duì)掃描2種情況，如果在掃描過程中，賦予標(biāo)靶絕對(duì)坐標(biāo)，那么就能夠得到建筑物地方坐標(biāo)系點(diǎn)云數(shù)據(jù)。要達(dá)到這種目的，就需要布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)在建筑物周圍，控制點(diǎn)布置必須遵循利用方便原則，點(diǎn)位精度要比點(diǎn)云精度高，控制點(diǎn)之間要相互通視[2]。

控制點(diǎn)可以采用RTK平面測量方式布設(shè)，按精度劃分為二級(jí)、三級(jí)、圖根和碎部。技術(shù)要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。

當(dāng)流動(dòng)站連續(xù)顯示固定解后，RTK平面控制測量就可以開始觀測，每個(gè)控制點(diǎn)需要單獨(dú)進(jìn)行二次初始化，每次初始化需要有兩組觀測數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)至少采集10個(gè)歷元數(shù)，4組數(shù)據(jù)滿足平面點(diǎn)位較差不大于2 cm時(shí)，方可選擇其中一組數(shù)據(jù)或平均值。

在同一測區(qū)，RTK平面控制測量時(shí)布點(diǎn)至少有3點(diǎn)，所有的測量成果都要有至少10%的重復(fù)抽樣檢查，并且保證檢查點(diǎn)數(shù)3點(diǎn)以上，重復(fù)抽樣檢查可在隔日或收測時(shí)進(jìn)行，檢測需要重新進(jìn)行初始化，初次采集數(shù)據(jù)與重復(fù)抽樣采集點(diǎn)位較差應(yīng)小于3 cm。

使用RTK平面控制測量成果前需要對(duì)每個(gè)測量成果進(jìn)行邊長或角度檢核，技術(shù)要求應(yīng)符合表3的規(guī)定。

2.2 布設(shè)標(biāo)靶

布設(shè)標(biāo)靶是整個(gè)掃描過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的目的是使掃描所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以統(tǒng)一到絕對(duì)坐標(biāo)系中。同時(shí)，標(biāo)靶布設(shè)要考慮網(wǎng)形情況，主要是因?yàn)闃?biāo)靶布設(shè)精度會(huì)影響點(diǎn)云的拼接精度。測站和標(biāo)靶要保證通視，標(biāo)靶離測站不能太遠(yuǎn)，一般控制在50 m內(nèi);公共標(biāo)靶和測站在布設(shè)時(shí)，不要在一條直線上，這樣是為了保障坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度。

標(biāo)靶應(yīng)在掃描范圍內(nèi)均勻布置，且高低錯(cuò)落;相鄰兩測站的公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)不少于3個(gè);標(biāo)靶可使用地物特征點(diǎn)、掃描儀配套標(biāo)靶以及標(biāo)靶紙等。

2.3 測站選擇

測站一般根據(jù)測區(qū)情況及范圍進(jìn)行選擇，掃描儀應(yīng)設(shè)置在視野開闊、地面穩(wěn)定的區(qū)域，設(shè)站數(shù)量要盡量減少;相鄰測站間至少有3個(gè)標(biāo)靶可以同時(shí)存在;測站選擇一般要避免有人員或車輛在掃描儀視野中穿過。

2.4 采集數(shù)據(jù)

SX10三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集過程類似于全站儀，可以分為5個(gè)步驟：對(duì)中整平、安裝儀器、設(shè)置參數(shù)、標(biāo)靶測量、數(shù)據(jù)采集和換站等6個(gè)步驟。

掃描分辨率在30 m內(nèi)不宜低于6 mm，掃描范圍應(yīng)覆蓋整個(gè)掃描對(duì)象，待掃描對(duì)象復(fù)雜、通視困難時(shí)應(yīng)增加測站，相鄰測站有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊率不宜低于30%，困難地區(qū)不宜低于15%。

設(shè)有標(biāo)靶的測站宜對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行識(shí)別或精掃，點(diǎn)云掃描完成后，宜進(jìn)行影像采集，全部完成后進(jìn)行下一站掃描;如果架設(shè)標(biāo)靶，應(yīng)在全部掃描完成后再撤走標(biāo)靶。

2.5 外業(yè)數(shù)據(jù)檢查

外業(yè)數(shù)據(jù)檢查是三維掃描儀在作業(yè)過程中很重要的一環(huán)。每站完成掃描工作后，宜立即進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查。數(shù)據(jù)檢查的內(nèi)容主要有5個(gè)方面。1）數(shù)據(jù)是否已存儲(chǔ)完畢并保存完畢。2）檢查是否可以打開灰度圖。3）結(jié)合地物、地貌，檢查掃描區(qū)域是否有遺漏。4）需要標(biāo)靶掃描市，檢查標(biāo)靶是否已掃描。5）檢查是否存在噪點(diǎn)或噪點(diǎn)是否影響使用。

如果存在檢查不通過的情況，可以選擇區(qū)域進(jìn)行局部重測，兩次掃描的點(diǎn)云可以自動(dòng)拼接。當(dāng)然，如果區(qū)域特別大，建議重新采集數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理

3.1 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)

在外業(yè)掃描時(shí)，因?yàn)闇y區(qū)條件的原因，無法使用絕對(duì)坐標(biāo)系，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只是點(diǎn)與點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系，碰到這種情況就需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換坐標(biāo)主要通過公共點(diǎn)（公共標(biāo)靶）來求轉(zhuǎn)換參數(shù)，這類模型一般采用布爾莎7參數(shù)。

3.2 拼接點(diǎn)云

拼接點(diǎn)云是將多站獲得的掃描數(shù)據(jù)拼接到一個(gè)整體的過程，點(diǎn)云拼接的方法有基于靶球拼接方式或者采用公共點(diǎn)云拼接。在實(shí)際作業(yè)中，各站測量所獲得的掃描數(shù)據(jù)都是在絕對(duì)坐標(biāo)系下，這樣就不用拼接，直接把各站數(shù)據(jù)導(dǎo)入天寶自帶的TBC，即可形成一個(gè)完整的整體。如果各站在相對(duì)坐標(biāo)系得到掃描數(shù)據(jù)，那就要基于標(biāo)靶或者公共點(diǎn)云拼接。采用公共點(diǎn)云拼接時(shí)，兩站間的點(diǎn)云重疊率不得少于30%，困難地區(qū)不得少于15%。

3.3 成果輸出

Trimble SX10 全站式掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入TBC軟件，保存為清華三維EPS軟件可以直接導(dǎo)入的格式文件。

4 應(yīng)用實(shí)例

上海某區(qū)有一處新建廠房委托我司進(jìn)行規(guī)劃核實(shí)，基地面積25 289 m2，新建10層工業(yè)廠房1棟，建筑面積33 302 m2;新建門衛(wèi)1棟。該公司使用Trimble SX10 全站式掃描儀結(jié)合實(shí)際，從而探索掃描儀在規(guī)劃核實(shí)地形測繪中應(yīng)用的可能性;同時(shí)將掃描數(shù)據(jù)與部分全站儀測量數(shù)據(jù)、建筑物邊長量測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，從而獲得全站式三維激光掃描技術(shù)提取建筑物點(diǎn)、線精度。

4.1 作業(yè)步驟

根據(jù)上述作業(yè)流程進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)掃描。1）控制點(diǎn)布設(shè)。2）控制點(diǎn)校核。3）架站（可自由設(shè)站，需要滿足后方交會(huì)測繪要求）。4）測站設(shè)置（設(shè)置掃描精度、分辨率、掃描時(shí)間）。5）開始掃描。6）重新架站（重復(fù)以上步驟3）～5），直至完成全部掃描工作）。

4.2 精度比對(duì)

通過表4、表5中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)使用全站式三維激光掃描儀掃描地形，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖點(diǎn)位中誤差在2 cm左右，邊長中誤差在1 cm左右，這2項(xiàng)指標(biāo)都完全滿足上海市“兩圖融合”地形測繪的精度要求。

5 結(jié)論

在這個(gè)工程實(shí)例中，可以獲得以下4點(diǎn)。1）三維激光掃描儀能縮短工時(shí)，節(jié)省技術(shù)人員，實(shí)例中的項(xiàng)目常規(guī)作業(yè)方法需要4名技術(shù)人員1天到1天半的時(shí)間完成全部作業(yè);而使用激光三維掃描儀只需要3 h，而且1位技術(shù)人員帶1～2名技術(shù)輔助人員就可以完成。2）三維激光掃描儀基本零返工，它可以將現(xiàn)場搬回辦公室，隨時(shí)都可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。3）Trimble SX10 全站式掃描儀可以自動(dòng)拍攝照片，照片疊加點(diǎn)云，能夠清晰地反映實(shí)地。4）Trimble SX10 全站式掃描儀提取的建筑物特征點(diǎn)完全可以滿足地形圖點(diǎn)位精度要求。

高精度測量和高速度掃描結(jié)合使用，能夠快速記錄土地所有權(quán)測量的所有要素，包括地界位置、建筑物等。回到辦公室，技術(shù)人員可以直觀地看到工地全景和周圍元素，包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)，也可以從掃描數(shù)據(jù)和影像中容易地了解測區(qū)，無需進(jìn)行工地重訪。

測量數(shù)據(jù)、高密度掃描數(shù)據(jù)和多重分辨率影像獨(dú)有和即時(shí)的組合，可以確保捕獲到最微小的細(xì)節(jié)，三維激光掃描技術(shù)勢必會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]田江博.三維激光掃描儀在日照測量中的應(yīng)用[J].北京測繪，2020，34（1）：61-64.

[2]胡玉祥，李勇，張洪德，等.地面三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用[J].城市勘測，2019（3）：87-91.