三維激光掃描技術(shù)在異形建筑規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量中的應(yīng)用

田澤海，楊友生，宋康明

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的飛速發(fā)展，城市中不斷涌現(xiàn)出代表城市綜合實(shí)力的異形建筑[1-2]。異形建筑即特殊形狀的建筑體，其建筑幕墻表面整體的形態(tài)呈曲面而表現(xiàn)出較為特殊的立面和空間效果，展現(xiàn)出極強(qiáng)的視覺沖擊力和感染力[3]。一幢幢造型各異的建筑給城市帶來了無限的吸引力，也對(duì)測(cè)量工作者提出了巨大挑戰(zhàn)，如何高效完成對(duì)其規(guī)劃條件的核實(shí)測(cè)量已迫在眉睫[4]。三維激光掃描技術(shù)，又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，作為測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次重大技術(shù)革命[5]，能高精度、高密度、高速度和非接觸地獲取地物三維空間信息，近年來已在古建筑修復(fù)、文物保護(hù)、緊急服務(wù)業(yè)和測(cè)繪工程等領(lǐng)域大展身手。

行政審批速度決定了城市發(fā)展的高度，更能展現(xiàn)城市的“軟實(shí)力”[6-7]。為了加快規(guī)劃行政審批效率，本文將Trimble SX10三維激光掃描儀應(yīng)用于廣州市第三少年宮規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量中。結(jié)果表明，采用三維激光掃描技術(shù)不僅能高效獲取符合要求的規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量成果，而且能大大提高行政審批效率，為規(guī)劃部門工作者帶來極大的便利。

1 工程概況與技術(shù)路線

1.1 工程概況

廣州市第三少年宮（圖1）位于黃埔區(qū)大沙北路，由一棟主樓和一棟劇院組成，兩棟建筑通過空中連廊相連，規(guī)劃占地面積為28 022 m2，總建筑面積約為29 679 m2。廣州市第三少年宮毗鄰黃埔區(qū)圖書館，是粵港澳大灣區(qū)青少年素養(yǎng)教育創(chuàng)新聯(lián)合基地，建筑物外廓帶有曲面、斜面和退層，并有一定的傾斜角度，內(nèi)部設(shè)有中庭、開敞與半開敞的庭院空間，因此利用常規(guī)測(cè)量方法難以獲取建筑平面、立面信息數(shù)據(jù)等規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量的重要成果，而采用三維激光掃描技術(shù)就能很好地滿足測(cè)量要求。

圖1 廣州市第三少年宮

1.2 技術(shù)路線

本文結(jié)合廣州市第三少年宮建設(shè)項(xiàng)目，首先利用三維激光掃描技術(shù)獲取建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并建立三維模型；再采用切片法獲取面積計(jì)算輪廓線；然后利用廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺(tái)進(jìn)行規(guī)劃條件核實(shí)面積計(jì)算；最后采用特性點(diǎn)提取技術(shù)進(jìn)行立面圖繪制。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 異形建筑規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量技術(shù)路線圖

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 控制測(cè)量

為了滿足建筑工程規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量的精度要求，以《衛(wèi)星定位城市技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，考慮到三維激光掃描儀作業(yè)仰角范圍，工程布設(shè)了6對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK控制點(diǎn)。施工單位提供的竣工圖顯示，兩棟樓的建筑高度（從室外地平線算起）分別為25.45 m和32.00 m，因此點(diǎn)位無需布設(shè)太遠(yuǎn)，即可完整掃描建筑底部和頂部。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

工程采用Trimble SX10三維激光掃描儀（圖3）獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。它集立體測(cè)量、攝像和高速3D掃描于一體，在600 m范圍內(nèi)可清晰、高速地掃描量測(cè)，每秒可獲取26 600個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

根據(jù)少年宮外形特征，本次三維激光掃描主要采用單站絕對(duì)定位模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即將掃描儀設(shè)置在圖根點(diǎn)上，輸入相應(yīng)參數(shù)后進(jìn)行掃描。為了加快外業(yè)工作進(jìn)度，掃描站點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程值通過廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)（GZCORS）和廣州市似大地水準(zhǔn)面直接獲取[7]，這樣可幾乎在同一時(shí)間段獲取建筑點(diǎn)云信息和掃描站點(diǎn)信息。Trimble SX10三維激光掃描儀提供了粗略、標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)和超精細(xì)4種掃描模式，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、建筑物形體等進(jìn)行選擇，本次工程主要采用精細(xì)模式進(jìn)行作業(yè)。

圖3 Trimble SX10三維激光掃描儀

表1 Trimble SX10三維激光掃描儀技術(shù)指標(biāo)

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由三維激光掃描儀直接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、密度高且存在很多無效點(diǎn)云，因此需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，主要包括點(diǎn)云去噪、修補(bǔ)、配準(zhǔn)等流程。

3.1.1 點(diǎn)云去噪、修補(bǔ)

外業(yè)采用三維激光掃描儀作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境難免存在樹木、其他建筑物等干擾，將產(chǎn)生很多無效甚至“有害”點(diǎn)云。去噪是對(duì)點(diǎn)云最基礎(chǔ)的優(yōu)化過程，也是處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)最重要的環(huán)節(jié)[2]，即將有效點(diǎn)保留、無效點(diǎn)剔除的過程，往往采用濾波器和人工交互的方式進(jìn)行。修補(bǔ)是對(duì)漏掃區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)掃的過程，以確保建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性。

3.1.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)

每個(gè)測(cè)站都有獨(dú)立的測(cè)量坐標(biāo)系，為了將所有有效點(diǎn)云統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系中，需對(duì)多站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，即點(diǎn)云配準(zhǔn)，主要包括粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)兩大步驟[7-9]。

在兩兩掃描站點(diǎn)之間至少選擇4個(gè)同名點(diǎn)，并根據(jù)同名點(diǎn)的幾何特征解算空間相似變換矩陣，再通過旋轉(zhuǎn)、平移完成點(diǎn)云的粗配準(zhǔn)。

式中，（XA,YA,ZA）和（XB,YB,ZB）為同名點(diǎn)在兩個(gè)掃描坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)；R為旋轉(zhuǎn)矩陣；T為平移矩陣[10-11]。

粗配準(zhǔn)完成后，由于配準(zhǔn)精度無法滿足工程要求，因此需要通過軟件進(jìn)行自動(dòng)精確配準(zhǔn)，以提高配準(zhǔn)精度。當(dāng)滿足配準(zhǔn)誤差≤10 cm后，再進(jìn)行其他站點(diǎn)的配準(zhǔn)。廣州市第三少年宮最終點(diǎn)云配準(zhǔn)效果如圖4所示。

圖4 廣州市第三少年宮點(diǎn)云

3.2 平面圖繪制和建筑面積計(jì)算

工程利用點(diǎn)云切片法提取建筑物特征線，即根據(jù)工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)厚度適宜的切片對(duì)完成配準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行水平面切割，再通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的建筑物特征點(diǎn)構(gòu)建建筑物每一層的特征線，最后剖切出每一層的特征面，即可計(jì)算每一樓層的建筑面積[4,12]。

建筑面積的具體計(jì)算方法為：將每一層的特征面文件導(dǎo)入廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺(tái)，通過規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量模塊計(jì)算各樓層的建筑物面積，如圖5所示。廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺(tái)是廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)的，可實(shí)現(xiàn)繪制現(xiàn)狀地形圖成圖、規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量平面位置關(guān)系圖、立面圖等一體化作業(yè)，還可進(jìn)行規(guī)劃條件核實(shí)建筑面積自動(dòng)構(gòu)面計(jì)算、報(bào)建與竣工規(guī)劃信息對(duì)比等，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目報(bào)建與規(guī)劃條件核實(shí)對(duì)比、竣工成果一體化，既簡(jiǎn)化了作業(yè)的中間過程和對(duì)其他軟件的成果轉(zhuǎn)換，又提高了作業(yè)效率。

圖5 整體和分層平面圖

3.3 立面圖繪制

立面圖正確繪制與否將直接影響規(guī)劃行政審批對(duì)樓宇退縮間距、日照間距的合理判斷。工程采用GeoMagic軟件對(duì)點(diǎn)云三維模型進(jìn)行主立面投影處理，通過編輯立面點(diǎn)云可獲得投影編輯完成后的立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再將其導(dǎo)入廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺(tái)，結(jié)合數(shù)碼相機(jī)獲取的高分辨率影像，繪制建筑立面線劃圖。某一方向的立面圖如圖6所示，該方向立面圖的輪廓圖如圖7所示。規(guī)劃部門行政審批往往對(duì)圖7的建筑高度、外輪廓進(jìn)行核查即可。

圖6 建筑立面圖

圖7 建筑立面圖（外輪廓圖）

4 精度分析

少年宮外形復(fù)雜，利用全站儀無法或很難精確獲取所有樓層計(jì)算面積輪廓線，因此本文將施工圖計(jì)算所得的竣工面積與Trimble SX10三維激光掃描儀實(shí)測(cè)的建筑面積進(jìn)行對(duì)比（表2），同時(shí)將Trimble SX10三維激光掃描儀獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（表3、4）。

表2 竣工圖面積與Trimble SX10三維激光掃描儀實(shí)測(cè)面積對(duì)比表

表3 全站儀測(cè)量與Trimble SX10三維激光掃描儀實(shí)測(cè)點(diǎn)云平面坐標(biāo)對(duì)比表/m

表4 全站儀測(cè)量與Trimble SX10三維激光掃描儀實(shí)測(cè)點(diǎn)云高程坐標(biāo)對(duì)比表/ m

由表2可知，采用Trimble SX10三維激光掃描儀求取的建筑面積與施工圖計(jì)算所得的竣工面積的平均較差百分比為0.24%和0.44%，最大值為0.73%，最小值為0.11%，滿足規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量面積誤差＜1%的要求；由表3、4可知，全站儀和Trimble SX10三維激光掃描儀測(cè)取相同點(diǎn)的點(diǎn)位平面較差平均值為2.6 cm、高程較差平均值為2.8 cm，滿足規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量主要地物點(diǎn)平面坐標(biāo)、高程精度≤5 cm的要求。

5 結(jié) 語

本文以廣州市第三少年宮為例，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于面向規(guī)劃行政審批的異形建筑規(guī)劃條件核實(shí)測(cè)量中，采用點(diǎn)云切片法、主立面投影法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，通過對(duì)建筑面積、點(diǎn)位坐標(biāo)和高程的對(duì)比分析，驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑工程規(guī)劃條件核查測(cè)量的可行性。規(guī)劃部門工作者可充分利用獲取的三維模型快速了解需要規(guī)劃條件核實(shí)的建（構(gòu)）筑物整體輪廓、外觀，可提前了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢查建（構(gòu)）筑物的相關(guān)信息，以便有針對(duì)性的檢查；同時(shí)切片法獲取的每層輪廓可加速工作人員核實(shí)面積的工作效率，提高規(guī)劃部門建筑工程行政審批的效率。