三維激光掃描儀在建筑物竣工測量中的應(yīng)用研究

□ 莫師慧

竣工測量（規(guī)劃條件核實(shí)）是城市建設(shè)和發(fā)展中的一項(xiàng)重要工程。在建筑物施工完成后，開發(fā)商需提供一份竣工驗(yàn)收資料給城市規(guī)劃管理部門，確?？⒐を?yàn)收指標(biāo)符合當(dāng)初規(guī)劃設(shè)計(jì)要求。其中，建筑物竣工驗(yàn)收的主要內(nèi)容包括建筑物外圍邊長、建筑物一層外圍角點(diǎn)的平面坐標(biāo)位置、建筑物±0.00標(biāo)高、建筑物總高度及建筑物與周邊現(xiàn)狀道路的位置關(guān)系。

三維激光掃描技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中也叫實(shí)景復(fù)制還原技術(shù)，它是一種精確度和準(zhǔn)確度并存的三維掃描技術(shù)，對于現(xiàn)場各種各樣復(fù)雜的建筑均可以進(jìn)行全方位的掃描。三維激光掃描技術(shù)不僅具有大范圍和高精準(zhǔn)度的優(yōu)勢，還可以在掃描后快速地獲取對象的三維信息，掃描完成后，通過電腦導(dǎo)入數(shù)據(jù)，便可以清晰地看到建筑物的三維信息，將現(xiàn)場如實(shí)地復(fù)制還原。此項(xiàng)高新技術(shù)是傳統(tǒng)的測量無法實(shí)現(xiàn)的，可以說三維激光掃描技術(shù)是測量技術(shù)的一次科技創(chuàng)新。

1 SLAM技術(shù)

移動測量技術(shù)的核心——即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（以下簡稱SLAM技術(shù)）。由于三維激光掃描技術(shù)需應(yīng)用到SLAM技術(shù)，所以在此進(jìn)行簡單介紹。SLAM技術(shù)是指移動掃描系統(tǒng)在一個陌生的環(huán)境下通過自身的感應(yīng)器來進(jìn)行自我定位和識別，同時還感應(yīng)周邊的環(huán)境，并增量式地創(chuàng)建地圖。由此可見，SLAM技術(shù)是通過自身的感應(yīng)器對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、解算和匹配，移動測量設(shè)備的測程越遠(yuǎn)，視角越廣闊，它獲得的數(shù)據(jù)就越多，得到的誤差就越小，精準(zhǔn)度就越高。

基于濾波器的方法和圖優(yōu)化的方法為SLAM的兩大算法，濾波器的方法只對當(dāng)前時刻的激光傳感器所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，沒有對前面時刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行一起解算，所以它的自我定位和構(gòu)建地圖精度較差。圖優(yōu)化的方法則對它的初始時刻到當(dāng)前時刻的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的解算，采用全局的優(yōu)化和匹配方法進(jìn)行解算和匹配，它的姿態(tài)不斷地被新的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核和校正，精準(zhǔn)度較高。

圖優(yōu)化的方法主要由前端和后端兩個部分組成。前端是繪制圖和運(yùn)算空間關(guān)系，而空間關(guān)系的建立主要有以下兩種方法：第一種是通過傳感器在移動設(shè)備掃描的相鄰時刻來獲取數(shù)據(jù)信息；第二種是通過閉合環(huán)來形成空間約束，也就是傳感器又重新回到了原來的位置從而形成閉合環(huán)來構(gòu)建空間約束信息。后端的作用則是優(yōu)化，移動掃描系統(tǒng)通過前端不斷創(chuàng)建新的空間約束關(guān)系，后端不斷地對空間約束關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化并且將優(yōu)化好的數(shù)據(jù)提供給前端進(jìn)行新的解算。通過前端和后端的互相合作，使移動掃描系統(tǒng)不斷更新自身的姿態(tài)和構(gòu)圖。三維激光掃描精度取決于兩方面：一是空間特征和環(huán)境，空間特征和環(huán)境越簡單，采集精度越高；二是設(shè)計(jì)的采集路線和掃描儀的姿態(tài)，設(shè)計(jì)采集路線越合理，掃描姿態(tài)越穩(wěn)定，采集精度越高[1]。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

賀院小區(qū)位于梧州市萬秀區(qū)西江三路18號，該小區(qū)總共有地上A、B、C、D4幢高層建筑物和2層地下室車庫。由于地上4幢高層建筑物外形簡單，所以采用全站儀實(shí)測建筑外圍特征點(diǎn)和手持測距儀進(jìn)行邊長測量。而地下室外形比地上4幢高層建筑物要復(fù)雜，有些斜邊的柱子位置無法采用測距儀一次直接量取，且地下室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多的承重剪力柱和各類有功能的消防水池、消防控制室和人防區(qū)域等，若采用全站儀進(jìn)行測量，通視則會成為問題。不通視就要支站，而支站越多，誤差積累就會越多，數(shù)據(jù)的精度就會降低，所以在內(nèi)部環(huán)境比較復(fù)雜的地下室采用傳統(tǒng)的全站儀測量方法是一種挑戰(zhàn)。

2.2 作業(yè)流程

經(jīng)過對本次工程地下室的內(nèi)部環(huán)境分析和研究，采用徠卡BLK2GO手持三維激光掃描儀進(jìn)行測量。主要技術(shù)參數(shù)：掃描的范圍0.500m～25m，掃描的速率42萬點(diǎn)/秒，視角為360°（水平方向）/270°（豎直方向），相對精度0.006～0.015m，絕對精度0.020m，角度精度30″/30″（水平/垂直），3D點(diǎn)精度：±0.003m/10m。在開始作業(yè)前，先做好作業(yè)流程設(shè)計(jì)：內(nèi)部特征點(diǎn)測量—數(shù)據(jù)采集（三維激光掃描和測距儀測距）—內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理—竣工圖繪制[2]。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)測量

先在測區(qū)做好控制點(diǎn)，采用全站儀正鏡和倒鏡在地下室里確定支點(diǎn)，然后搬至地下室內(nèi)，用全站儀測量地下室內(nèi)部特征點(diǎn)和地下室標(biāo)高，完成地下室的絕對定位。之后，便用徠卡BLK2GO手持三維激光掃描儀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集和測距儀進(jìn)行邊長量取，所以本次工程安排2個小組進(jìn)行作業(yè)。一組用BLK2GO手持三維激光掃描儀采用SLAM技術(shù)進(jìn)行定位，初始需要選擇適合的空間環(huán)境和行走路線，然后將BLK2GO連接手機(jī)APP，通過手機(jī)現(xiàn)場查看掃描點(diǎn)云的二維平面視圖和三維點(diǎn)云視圖，可以清楚直觀地看到自己行走的路線和掃描進(jìn)度。由于本次工程的地下室面積不算太大，負(fù)一層面積約為7800m2，負(fù)二層面積約為7500m2，而且負(fù)一層和負(fù)二層的外圍一樣，所以本次掃描共掃三站，負(fù)一層掃一站，負(fù)二層掃一站，負(fù)一層和負(fù)二層連接的車庫坡道掃一站。單獨(dú)掃描負(fù)一層和負(fù)二層，可以看出兩層外圍是否符合設(shè)計(jì)，負(fù)一層和負(fù)二層同時掃描就可以連接兩層的關(guān)系，確保兩層之間有數(shù)據(jù)交集，便于檢核和拼接。另一個小組用測距儀測量地下室內(nèi)部邊長，通過用三維激光掃描儀和測距儀共同完成本次工程地下室的測量[3]。

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（1）導(dǎo)入：Type_c線連接設(shè)備和電腦，打開Cyclone REGISTER 360軟件，新建工程，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入。數(shù)據(jù)導(dǎo)入包含了點(diǎn)云的創(chuàng)建、真彩色附著，所以這一步的時間比較久。

（2）檢查與優(yōu)化：數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后即是真彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無須其他數(shù)據(jù)處理，在Cyclone REGISTER 360軟件里面可以進(jìn)行站點(diǎn)模式、切片模式、測站模式3種方式瀏覽查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于本次掃描了3站，所以在Cyclone軟件里面就會有3個點(diǎn)云模型，需要人工將這3個點(diǎn)云模型進(jìn)行拼接。由于點(diǎn)云模型是三維的，所以有平面位置拼接和高程拼接。平面位置拼接采取先移動后旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行拼接。因?yàn)樨?fù)一層和負(fù)二層是單獨(dú)掃描，所以兩層之間無法直接融合，需要先將負(fù)一層和負(fù)一層與負(fù)二層交集的點(diǎn)云模型拼接融合（先找一個特征點(diǎn)將兩個點(diǎn)云模型移動到一起，再選取一條盡可能長的邊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拼接，初步拼接完成后應(yīng)檢查其他角點(diǎn)和邊長的位置，對沒有拼接好的位置進(jìn)行反復(fù)精細(xì)化調(diào)整，直至這兩個點(diǎn)云模型拼接完好再融合），再將單獨(dú)的負(fù)二層與其拼接融合，這樣就得到了3站融合的點(diǎn)云模型（見圖1）。

圖1 3站融合的點(diǎn)云模型

（3）完成和報告：本次工程的拼接精度為0.005m，滿足精度要求。一是輸出PTS格式點(diǎn)云文件，采用CloudCompare將PTS格式轉(zhuǎn)換成LAS格式；二是在清華山維EPS軟件將LAS格式轉(zhuǎn)換成PCD格式；三是加載PCD格式點(diǎn)云模型繪制竣工圖[4]。

2.5 成果精度評定

為了檢驗(yàn)點(diǎn)云模型的精度，另外一個作業(yè)小組用測距儀量取了地下室內(nèi)部的邊長，通過對數(shù)據(jù)分析，點(diǎn)云模型的邊長與測距儀實(shí)量邊長差值的絕對值范圍基本在0m～0.03m，點(diǎn)位中誤差為0.02m（見表1），沒有超出精度誤差要求，完全滿足建筑物竣工精度條件要求。

表1 三維激光掃描儀與測距儀邊長對照表

3 結(jié)語

采用全站儀、三維激光掃描儀和測距儀對賀院小區(qū)地下室進(jìn)行竣工驗(yàn)收測量，全站儀負(fù)責(zé)地下室的絕對定位，三維激光掃描儀和測距儀則用于測量地下室的邊長。利用三維激光掃描儀獲取地下室的三維數(shù)據(jù)，再結(jié)合測距儀測量每條邊的邊長數(shù)據(jù)作比較分析，三維激光掃描儀的測量精度完全滿足城市規(guī)劃驗(yàn)收要求。三維激光掃描儀具有掃描高效率、數(shù)據(jù)信息量大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以將任何復(fù)雜的環(huán)境現(xiàn)場逼真地模擬出來，充分體現(xiàn)了該技術(shù)的實(shí)用性和科學(xué)性。隨著科技的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)將會在竣工測量中得到更廣泛的應(yīng)用。