三維激光掃描測量在老宅保護中的應用

周佳佳

摘要：施工單位進場后的一項重要工作是場地原始地面方格網(wǎng)的測設，目的在于記錄原始地貌現(xiàn)狀，確定整個場地或局部區(qū)域平均標高，為場地平整或基坑開挖土方工程量結算提供客觀依據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集基本為基于點的模式，即用全站儀、GPSRTK獲取離散點的三維坐標。本文對三維激光掃描測量在老宅保護中的應用進行分析，以供參考。

關鍵詞：三維激光掃描;老宅保護;測量應用

引言

近年來，非接觸式測量技術的發(fā)展在適應更多復雜測量環(huán)境、高效準確獲得被測目標的表面輪廓信息等方面體現(xiàn)出了獨特的優(yōu)越性，尤其以三維激光掃描測體積技術為代表的非接觸式體積測量方式在采礦、林業(yè)、建筑、醫(yī)學等領域中的應用已逐漸嶄露頭角。

1傳統(tǒng)測量方法

采用傳統(tǒng)測量方法主要任務包括：地上控制測量、聯(lián)系測量、地下控制測量、地下空間數(shù)據(jù)獲取等。地上控制點可以利用網(wǎng)絡實時動態(tài)載波相位差分技術（Real-TimeKinematic，RTK）布設控制點，也可以根據(jù)現(xiàn)場情況布設導線點。因為地下空間出入口位置是固定的，為了提高地下控制點的精度，盡量在出入口附近布設控制點。高程采用水準儀聯(lián)測附近已知高程點。

2三維激光掃描技術原理

2.1激光三角法

激光三角法顧名思義就是利用相似三角形原理，結合激光傳感器來計算得到待測物體表面與參考面之間的距離，再根據(jù)提前標定好的設備坐標等來獲得物體表面坐標，廣泛應用于高精度工業(yè)檢測領域。陶依貝利用基于激光三角法原理的激光掃描系統(tǒng)測量傳送帶物料體積，并經(jīng)過現(xiàn)場實驗驗證測量結果的誤差在3%以內，證明基于該原理測量的可行性、可靠性。該方法與飛行時間法相比成本低，且測量范圍廣、結構簡單、維護方便，是一種高速、高效、高精度、應用前景廣闊的非接觸測量方法，但由于相似三角形測距的原理，隨著測量距離的增大，誤差也會越來越大，這也是激光三角法的局限性，難以改變。

2.2雙目體視法

雙目體視法與前面三種方法不同，是唯一的一種被動式測量方法，通過模仿人的兩只眼睛來獲取兩個視圖信息，通過視差計算對待測物體進行定位。由于檢測環(huán)境多變，檢測系統(tǒng)各器件之間的位置關系也會影響到檢測結果，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，工作前對系統(tǒng)進行標定是很有必要的，目前使用最多的標定方法為張正友標定法。測量設備中需要有兩個高分辨率相機，工作時同一個物體在兩個相機內成像，實現(xiàn)定位的最主要步驟為坐標點的匹配，即為物體表面一點在兩個相機中的位置匹配，通過同一點在兩相機中的位置坐標來計算物體表面點的坐標信息，所以匹配的越精確，獲得的物體表面坐標信息就越準確。毛琳琳利用該原理設計了大堆物料測量平臺，可實現(xiàn)對大堆物料的三維重構和體積計算，并通過實驗驗證該平臺滿足實際應用要求和操作需要。雙目體視法優(yōu)點是成本較低的同時理論精度高，但也容易受到環(huán)境光干擾，在一些環(huán)境光強的場景中難以發(fā)揮出優(yōu)勢。

3三維激光掃描儀的特點

三維激光掃描技術，被譽為測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命，也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)。具有快速性、不接觸性、穿透性，實時、動態(tài)、主動性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動化等特性。每秒可輕松、精確獲取數(shù)萬點至數(shù)十萬點三維坐標點云數(shù)據(jù)，快速建立物體的三維影像模型。

4應用案例

4.1技術流程

（1）現(xiàn)場踏勘老宅測量前應前往現(xiàn)場了解情況，大概掌握老宅房屋現(xiàn)狀、主要結構布局及周邊的地形、地貌等。手繪現(xiàn)場草圖，并收集老宅所在位置的地形圖、影像圖、控制點、水準點等可利用數(shù)據(jù)。（2）方案設計根據(jù)現(xiàn)場踏勘了解的情況、現(xiàn)場草圖和收集到的地形圖、影像圖等資料，初步設計園區(qū)內部控制點布設位置和三維激光掃描儀測量架站路線。（3）控制點布設根據(jù)CJJ/T8-2011《城市測量規(guī)范》、GB50026-2007《工程測量規(guī)范》等規(guī)范規(guī)程要求布設平高控制點，平面采用GNSSRTK測量方法布設三級平面控制點，高程控制測量宜采用水準測量、電磁波測距三角高程測量和GNSS高程測量等方法?？刂泣c至少布設4個，其中3個用于掃描拼接后的點云進行坐標轉換，1個控制點用來檢驗轉換精度。RTK平面控制測量結束需要進行不少于控制點點數(shù)10%，不低于3個的重復測量檢查，并采用全站儀對控制點進行邊角檢核。（4）現(xiàn)場測量根據(jù)設計的測量方案現(xiàn)場布置掃描，并采用全站儀采集部分墻體等特征點驗證點云測量精度。（5）內業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點云數(shù)據(jù)傳輸、點云拼接、RTK選點處理、水準平差、全站儀碎部點解算、點云坐標轉換等。（6）質量檢查使用控制檢驗點和全站儀采集的特征點對坐標轉換后的點云數(shù)據(jù)進行精度檢查，驗證點云拼接、坐標轉換后的精度和可靠性。（7）繪制平立剖面圖根據(jù)拼接和坐標轉換后的點云繪制老宅的平面圖、立面圖、剖面圖。（8）三維建模為了長久保留老宅的建筑結構資料，也為了更加直觀地還原老宅的容貌，幫助以后修復及BIM改造，可利用點云數(shù)據(jù)及平立剖圖對老宅進行三維精建模。

4.2三維激光掃描測量

現(xiàn)場掃描采用FAROS350三維激光掃描儀，布設方式采用由外向內的逐站推進，共架設158站，無靶球靶紙的相鄰測站至少有30%的點云重疊度。因掃描的老宅含有前廳、洗手間、東廂房、西廂房、廚房、涼亭、檐廊、書房、正房等房間，房間數(shù)量眾多。為了詳細測繪每一處的房屋結構及后續(xù)點云拼接，一般在門前、門下及門后各架設一站。此外，為了可以掃描到屋頂?shù)慕Y構，在老宅臨近房屋陽臺處架設掃描儀，向下進行掃描，通過在地面上布設3個以上不同高度且不在同一平面上的靶球，利用靶球特征點將陽臺上的測站與地面測站聯(lián)系起來。

結束語

在建設用地越來越稀缺的同時，城市空間也變得越來越寶貴，其合理開發(fā)利用可以為人們帶來更多生活便利。而開發(fā)利用的前提是對其進行全方位的測繪，傳統(tǒng)的空間測量方法是內業(yè)數(shù)字化和實測相結合的方式，根據(jù)建筑設計圖、竣工圖等進行掃描數(shù)字化，對空間實際情況進行實地核實測量，對變動較大的重新測繪。

參考文獻

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