三維激光掃描儀在建筑規(guī)劃驗(yàn)收中的應(yīng)用

朱龍軍，周雋

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

1 引 言

規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量是針對(duì)規(guī)劃驗(yàn)收而進(jìn)行的一種核實(shí)測(cè)量。規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量需要核實(shí)的內(nèi)容相對(duì)較多，以重慶市建筑工程規(guī)劃驗(yàn)收地形測(cè)量為例，主要包括以下內(nèi)容：建筑條件點(diǎn)的驗(yàn)測(cè)；建筑的±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高點(diǎn)標(biāo)高驗(yàn)測(cè)；驗(yàn)收建筑所在地塊及周邊 30 m范圍內(nèi)現(xiàn)狀地形。

按照《城市測(cè)量規(guī)范》要求，在進(jìn)行規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量時(shí)，平面控制點(diǎn)的等級(jí)不應(yīng)低于三級(jí)，高程為圖根高程，在控制點(diǎn)稀少地區(qū)，三級(jí)導(dǎo)線(xiàn)可同級(jí)附合一次；條件點(diǎn)應(yīng)在三級(jí)點(diǎn)上測(cè)量2次，點(diǎn)位較差應(yīng)在 ±50 mm內(nèi)，成果取平均值，條件許可時(shí)也采用雙極坐標(biāo)法、網(wǎng)絡(luò)RTK法測(cè)量；建筑物標(biāo)高采用電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量法時(shí)，應(yīng)變換儀器高或覘標(biāo)高測(cè)兩次，兩次測(cè)量的較差在 ±100 mm之內(nèi)時(shí)，成果取用平均值。規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量的精度要求為涉及規(guī)劃條件的地物點(diǎn)相對(duì)鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于 50 mm，地物點(diǎn)之間的間距中誤差不應(yīng)大于 70 mm；其他地物點(diǎn)相對(duì)鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于 70 mm，地物點(diǎn)之間的間距中誤差不應(yīng)大于 100 mm。地物點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于 40 mm。

傳統(tǒng)測(cè)量方式進(jìn)行建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量存在以下難點(diǎn)：建筑間距較小，且受現(xiàn)場(chǎng)施工影響，控制點(diǎn)布設(shè)困難，控制點(diǎn)的邊長(zhǎng)難以達(dá)到三級(jí)要求；條件點(diǎn)需雙極坐標(biāo)法測(cè)量且點(diǎn)位較差在 ±50 mm內(nèi)，在兩個(gè)三級(jí)控制點(diǎn)上同時(shí)觀(guān)測(cè)一個(gè)條件點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度大；規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量需核實(shí)內(nèi)容多，外業(yè)測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。

采用基于視覺(jué)跟蹤拼接和自由設(shè)站的三維激光掃描技術(shù)快速獲取項(xiàng)目的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、切片、提取特征點(diǎn)處理，并通過(guò)切片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制建筑輪廓線(xiàn)，經(jīng)過(guò)外業(yè)驗(yàn)證比對(duì)，各項(xiàng)精度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，利用三維激光掃描能極大提高建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量的效率。

2 技術(shù)路線(xiàn)

2.1 儀器簡(jiǎn)介

徠卡RTC360三維激光掃描儀由三維激光掃描頭、3個(gè)HDR相機(jī)和內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)組成，還配置了工作時(shí)架放儀器的三腳架和方便查看數(shù)據(jù)的平板電腦，腳架每邊分為四節(jié)，可根據(jù)高度需求自由縮放；外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)可通過(guò)平板電腦實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)和點(diǎn)云拼接情況。

徠卡RTC360三維激光掃描儀同其他掃描儀相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，儀器無(wú)須整平，一鍵式操作；外業(yè)作業(yè)時(shí)間短，掃描速度高達(dá)200萬(wàn)點(diǎn)每秒，單站掃描加拍照最快只需 2 min；智能拼接，基于VIS視覺(jué)追蹤技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算連續(xù)站點(diǎn)間的相對(duì)位置，提供精確點(diǎn)云拼接。

采用RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量，其作業(yè)流程主要分為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云測(cè)圖、精度檢查5大部分，如圖1所示。

2.2 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備工作分為實(shí)地踏勘、路線(xiàn)規(guī)劃和布設(shè)控制3個(gè)步驟。前期通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)地形情況的了解，初步規(guī)劃好測(cè)站架設(shè)位置和完成控制點(diǎn)的布設(shè)。測(cè)區(qū)一般布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)，其中測(cè)區(qū)4個(gè)角各一個(gè)，測(cè)區(qū)中心一個(gè)，根據(jù)場(chǎng)地大小可加密布設(shè)控制點(diǎn)。在布設(shè)控制點(diǎn)前應(yīng)在高等級(jí)控制點(diǎn)上對(duì)儀器進(jìn)行檢核，平面位置較差絕對(duì)值不應(yīng)大于 5 cm，高程檢核較差不應(yīng)大于 7 cm。按照規(guī)范要求，建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量的控制點(diǎn)為三級(jí)控制點(diǎn)。

圖1 作業(yè)流程

2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集階段分為架設(shè)測(cè)站、掃描標(biāo)靶和數(shù)據(jù)檢查3個(gè)步驟。根據(jù)前期準(zhǔn)備工作中規(guī)劃好的掃描路線(xiàn)，逐站架設(shè)三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，相鄰測(cè)站間的距離宜保持在 15 m左右，保證相鄰測(cè)站間的點(diǎn)云重疊度在30%以上。在掃描過(guò)程中可以根據(jù)項(xiàng)目的需求選擇點(diǎn)云密度，有低、中、高三個(gè)等級(jí)可供選擇。如果需要獲取點(diǎn)云的RGB信息，可以選擇拍照功能。在每一站掃描完成后可以通過(guò)平板電腦檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量和拼接情況。因?yàn)樽罱K需要的成果是地方獨(dú)立坐標(biāo)系，所以需要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行掃描，方便數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)，需要將掃描儀架設(shè)在離控制點(diǎn) 7 m以?xún)?nèi)，保證后期數(shù)據(jù)處理時(shí)正確識(shí)別標(biāo)靶，記錄每個(gè)標(biāo)靶的高度。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理分為點(diǎn)云拼接、添加控制點(diǎn)和數(shù)據(jù)輸出3個(gè)步驟。數(shù)據(jù)預(yù)處理是在Cyclone Register 360軟件中進(jìn)行的。點(diǎn)云拼接是將具有重疊點(diǎn)云的兩個(gè)測(cè)站拼接到一起，每一棟建筑的連接線(xiàn)都應(yīng)閉合，最終使所有的連接線(xiàn)形成一張由多個(gè)閉合多邊形組成的網(wǎng)。Cyclone Register 360軟件提供了兩種點(diǎn)云拼接方法：一種是在平面視圖和高程視圖上分別使用平移、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行拼接；另一種是通過(guò)選取3個(gè)公共點(diǎn)進(jìn)行拼接。當(dāng)點(diǎn)云拼接精度滿(mǎn)足要求后，需要將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到地方獨(dú)立坐標(biāo)系。在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，首先將控制點(diǎn)導(dǎo)入到項(xiàng)目中，然后把標(biāo)靶名稱(chēng)改為對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)名后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在完成點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后，就可以輸出拼接報(bào)告和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Cyclone Register 360軟件提供了PTS、E57和PTX等多種點(diǎn)云格式，可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

2.5 點(diǎn)云測(cè)圖

點(diǎn)云測(cè)圖分為點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云切片、提取特征點(diǎn)和繪制建筑輪廓線(xiàn)四個(gè)步驟。點(diǎn)云測(cè)圖是在Trimble Realworks和清華三維EPS軟件中進(jìn)行的。首先將拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Trimble Realworks軟件中，為了方便數(shù)據(jù)處理，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，刪除項(xiàng)目范圍外的冗余數(shù)據(jù)；然后根據(jù)建筑物的實(shí)際情況，選擇合適的位置進(jìn)行切片處理，切片的厚度設(shè)為8cm，并把切片點(diǎn)云以DXF的格式進(jìn)行輸出；再在點(diǎn)云模型上選取每棟建筑的±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高點(diǎn)、房角點(diǎn)，并結(jié)合項(xiàng)目竣工圖制作高度表；最后將切片點(diǎn)云導(dǎo)入清華三維EPS軟件中，繪制建筑物的外輪廓線(xiàn)、添加屬性，完成竣工圖的繪制。

2.6 精度檢查

竣工圖測(cè)繪完成后需要對(duì)其平面、高程和邊長(zhǎng)精度進(jìn)行檢查。可以通過(guò)全站儀外業(yè)實(shí)測(cè)部分主要房角點(diǎn)、±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高點(diǎn)來(lái)進(jìn)行比較。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目是位于重慶市兩江新區(qū)的某個(gè)別墅小區(qū)，共有16棟建筑，均為3層，建筑高度約為 12.5 m，整個(gè)項(xiàng)目面積約為90畝，具體范圍如圖2所示。由于在進(jìn)行建筑規(guī)劃驗(yàn)收地形測(cè)量時(shí)該項(xiàng)目還沒(méi)有完全完工，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)主要以房屋為主，只有少量的綠化，遮擋情況較少，適合利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量。

圖2 項(xiàng)目范圍

3.2 數(shù)據(jù)采集

在本項(xiàng)目中共布設(shè)了5個(gè)三級(jí)控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)測(cè)量四測(cè)回，每個(gè)測(cè)回平面較差不超過(guò) 2 cm，高程較差不超過(guò) 3 cm，以保證控制點(diǎn)的精度。在使用RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)共架設(shè)了86站，采用低密度、不拍照的掃描方式，外業(yè)采集時(shí)間約為 6 h。測(cè)站主要架設(shè)在房角、門(mén)廊、建筑凹陷處，測(cè)站間的距離控制在 15 m～20 m之間，保證采集到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Cyclone Register 360軟件中。由于RTC360掃描儀具有VIS視覺(jué)追蹤技術(shù)，因此連續(xù)相鄰兩站一般是拼接好的，只需要在測(cè)站之間添加連接并對(duì)局部拼接精度不高的區(qū)域進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，最終讓所有測(cè)站連成一張網(wǎng)，如圖3所示。當(dāng)拼接完成后，對(duì)整個(gè)點(diǎn)云運(yùn)用控制，將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地方獨(dú)立坐標(biāo)系。最后將點(diǎn)云的拼接報(bào)告和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，部分點(diǎn)云拼接精度如表1所示。從拼接報(bào)告中可以看到，最大拼接誤差為 24 mm，最小的為 10 mm，控制點(diǎn)誤差最大為 3 mm，最小為 1 mm，滿(mǎn)足拼接要求。

圖3 拼接后點(diǎn)云

點(diǎn)云拼接精度統(tǒng)計(jì)表 表1

3.4 竣工圖測(cè)繪

將拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Trimble Realworks軟件中，可以看到整個(gè)測(cè)區(qū)的點(diǎn)云情況，如圖4所示。外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)，掃描了許多測(cè)區(qū)外的點(diǎn)云，為了減少數(shù)據(jù)冗余、方便后期處理，需要先將這部分點(diǎn)云刪除掉。在進(jìn)行點(diǎn)云切片之前，需要將每棟建筑分割出來(lái)，各自放到一個(gè)文件夾里。在進(jìn)行切片處理時(shí)需要選擇一個(gè)合適的高度，盡量避開(kāi)門(mén)窗，獲取完整的外輪廓線(xiàn)，切片厚度一般設(shè)置為 8 cm。對(duì)獲得的切片文件需要先刪除內(nèi)部多余的點(diǎn)，然后以dxf格式進(jìn)行輸出。

建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量除了需要測(cè)量建筑的輪廓線(xiàn)外，還需要測(cè)量建筑的±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高，直接在點(diǎn)云模型上選取每棟建筑物的特征點(diǎn)并結(jié)合項(xiàng)目竣工圖制作高度表。

將每棟建筑的切片文件導(dǎo)入到清華三維EPS軟件中，根據(jù)點(diǎn)云繪制房屋竣工圖，并添加樓層和高度信息。對(duì)于測(cè)區(qū)內(nèi)的其他地物、地貌信息，可以直接在Trimble Realworks軟件中提取，最終將提取到的地物信息合并到房屋竣工圖中，經(jīng)過(guò)圖面整飾，得到最終成果，如圖5所示。

圖4 點(diǎn)云模型

圖5 項(xiàng)目成果

3.5 作業(yè)效率對(duì)比

在本項(xiàng)目中對(duì)使用全站儀測(cè)量和三維激光掃描儀測(cè)量?jī)煞N不同的作業(yè)模式的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出使用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量可以大幅度縮減外業(yè)測(cè)量時(shí)間，雖然內(nèi)業(yè)時(shí)間稍有增加，但總作業(yè)時(shí)間還是僅為傳統(tǒng)方式的二分之一。

作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)表 表2

3.6 成果精度評(píng)定

為了檢查根據(jù)點(diǎn)云模型繪制的地形圖精度，使用徠卡TS09全站儀外業(yè)測(cè)量了部分主要房角、正負(fù)零標(biāo)高、頂高、制高進(jìn)行比較，其中平面點(diǎn)43個(gè)，高程點(diǎn)34個(gè)，分別進(jìn)行平面和高程精度統(tǒng)計(jì)，如表3、表4所示。并選取了30條邊同測(cè)距儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，邊長(zhǎng)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

平面精度統(tǒng)計(jì)表 表3

高程精度統(tǒng)計(jì)表 表4

邊長(zhǎng)精度統(tǒng)計(jì)表 表5

平面點(diǎn)位較差最小為0.4 cm，最大為 2.8 cm，點(diǎn)位中誤差為 1.33 cm。從圖6中可以看出，平面點(diǎn)位較差基本分布在 0 cm～3 cm內(nèi)，滿(mǎn)足建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量條件點(diǎn)驗(yàn)測(cè)精度要求。

圖6 平面精度分布

圖7 高程精度分布圖

高程最大誤差為3.9 cm，最小為 -3.8 cm，高程中誤差為 1.97 cm，并且高程較差基本分布在 -4 cm～4 cm內(nèi)(圖7)，滿(mǎn)足建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量高程精度要求。

邊長(zhǎng)較差中誤差為0.72 cm，從圖8中可以看出邊長(zhǎng)最大誤差為 1.8 cm，最小為 -1.5 cm，并且邊長(zhǎng)精度基本分布在 -2 cm～2 cm內(nèi)，滿(mǎn)足建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量邊長(zhǎng)精度要求。

圖8 邊長(zhǎng)精度分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

采用基于視覺(jué)跟蹤拼接和自由設(shè)站的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量，可獲得高密度和高精度的點(diǎn)云，最終成果平面中誤差為 1.33 cm，高程中誤差為 1.97 cm，完全滿(mǎn)足建筑規(guī)劃驗(yàn)測(cè)量的要求。在實(shí)際操作過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，為了獲得每棟建筑的完整點(diǎn)云，需要架設(shè)較多測(cè)站，當(dāng)測(cè)區(qū)范圍較大的時(shí)候，數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出時(shí)間較長(zhǎng)；RTC360掃描儀的有效掃描距離約為 70 m，這也限制了其只能在中低樓層使用?？傮w來(lái)看，采用基于視覺(jué)跟蹤拼接和自由設(shè)站的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量，可以極大程度地減少外業(yè)工作量，提高工作效率，同時(shí)確保了成果的準(zhǔn)確性。