地下建筑物的三維測繪技術(shù)應用分析

張好軍

(河南省第二建設集團有限公司,河南 鄭州 451464)

0 引 言

所謂地下建筑物，指的是在天然溶洞中或通過人工開挖后建成的各類建筑物，如隧道、地鐵、車庫以及人防工程等。地下建筑物通?？煞譃槿蟛糠郑鈬o樁、樁基以及主體。相較于其他類型的實體，地下建筑物的形狀相對規(guī)則，功能比較豐富。從三維表達角度分析地下建筑物時，需要對它的外部形狀以及內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)做綜合的分析與考慮[1]。

地下建筑物測量的技術(shù)、要點、步驟等與地上建筑物工程測量存在很大差別。在測量地下建筑物時，不僅需測量工程主體結(jié)構(gòu)，還需準確測量工程施工范圍內(nèi)的地表附屬設施，從而使地上、地下信息更好地統(tǒng)一起來。并且在測量地下建筑物時，需同時測量建筑工程所在水平方向上位置信息以及建筑工程高度信息，需采集建筑所有特征點信息，綜合各項信息準確得出建筑工程立體形狀以及垂直方向上的具體位置。下面就地下建筑工程三維測量技術(shù)與應用做具體分析。

1 利用全站儀進行地下建筑工程三維測量

利用全站儀測量地下建筑物，獲取地下建筑物的三維數(shù)據(jù)，在當前應用得比較廣泛。應用全站儀測量時，需按照先控制后碎部的原則順序進行，從用全站儀做控制到用全站儀測量空間特征點的方法進行。在應用全站儀測量地下建筑物三維坐標時，測量地物底部特征點的坐標比較容易，但測量地物頂部特征點三維坐標則難度相對較大。一般情況下，在測量頂部特征點平面坐標與高程時可采用以下三種方式：

(1) 可在頂部特征點上直接放置棱鏡進行測量，這種方法對于特征點選擇準確、直觀，但是棱鏡的放置難度比較大。

(2) 可先測量出地下建筑物相應的底部特征點坐標與高程，然后測量出特征點對應高度，將數(shù)據(jù)整合后得到所需信息，這種方法比較麻煩，效率低。

(3) 運用全站儀免棱鏡測量模式可以直接獲得建筑物各特征點的三維坐標，這種方法在選取特征點時，容易出錯，需要認真細心、重復校核。

由于地下建筑物所處的位置比較特殊復雜，因此在測量時必須做好規(guī)劃以及過程控制，選取合理的測量方法，以保證最終能得到真實、精準、全面且詳細的地下建筑信息。下面主要以地下建筑物地下高程測量為例詳細敘述如何運用全站儀測得地下建筑物特征信息。

在測量時，為了使地面、地下建立統(tǒng)一的高程系統(tǒng)，先通過豎井將地面高程傳遞到地下巷道中，也就是導入高程。在進行豎井類型的高程導入測量時，應先在地面井口附近設引測一個已知高程點，已知高程為H，然后在井底下相應位置設一個高程待求點，如圖1所示。設點完畢后，將一把長鋼尺的尺段豎直放于豎井內(nèi)，在地面與井下同時安置水準儀，通過水準儀進行測量，讀取長鋼尺上的讀數(shù)a和b。得到井上、井下兩點之間的視線距離b-a，隨后在已知高程點和高程待求點分別放置塔尺測得視線高c和d。

圖1

那么，就可通過公式Hd=H-(b-a-c+d)計算,得到井下高程待求點的高程Hd。

在這一測量過程中，也可以采用長鋼絲法以及光電測距儀法等，這兩種方法都比較適用[2]。

2 利用三維激光掃描儀進行地下建筑工程三維測量

三維激光掃描是一種先進的全自動高精度立體掃描技術(shù)，能完整、精確、快速地獲得原始測量數(shù)據(jù)并能夠重建掃描實物。在應用三維激光掃描技術(shù)時，主要是進行基于面的數(shù)據(jù)采集。在測量過程中，先通過激光掃描獲得點云數(shù)據(jù)，然后再對數(shù)據(jù)進行處理就得到最終信息。

相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有以下特點。首先，測量方式為非接觸式測量。在測量時不需要安放反射棱鏡就能直接全方位掃描目標體并獲得目標體表面云點的三維坐標信息。因為能做到非接觸式測量，所以三維激光掃描技術(shù)能完成一些高難度、高風險的測量任務。其次，三維激光掃描技術(shù)的擴展性強、數(shù)字化程度高。運用三維激光掃描技術(shù)測量地下建筑物時，獲得的數(shù)據(jù)為全數(shù)字信號，這就為數(shù)據(jù)的處理、分析、輸出等提供了便利。再次，相較于全站儀，三維激光掃描技術(shù)的分辨率、數(shù)據(jù)采樣率更高，能夠更準確地提供建筑物特征點數(shù)據(jù)。最后，數(shù)據(jù)采集速度快，工作效率高。研究與實踐證明，采用相位激光法測量的三維激光掃描儀能達到數(shù)十萬點/秒，采樣速率極高[3]。

三維激光掃描儀主要由儀器箱、電池、電源電纜、三角基座、掃描主機、通信電纜、掃描頭以及處理軟件組成。利用掃描主機、三角基座構(gòu)成一個底面固定式三維激光掃描系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對目標物進行掃描測量，獲取目標物的各項三維信息。

在測量時，先完成場地踏勘，根據(jù)現(xiàn)有情況估計掃描站應設的站數(shù)與位置，盡量保證掃描區(qū)域有公共部分，盡可能減少其他物體的遮擋。完成以上工作后就開始布設控制網(wǎng)。在布網(wǎng)時要進行測量與平差計算，通過測量計算獲得高精度的靶標點位。測量過程中，對拼接標靶與控制標靶需要采用高分辨率進行掃描，將靶標中心點準確提取出來。測量過程中采用全站儀測量平面靶標得到坐標信息。為了避免在測量過程中出現(xiàn)靶標丟失、挪動等情況，工作人員需在完成一站掃描工作后就立即開展靶標測量，以保證最終測量結(jié)果的精準性。測量時運用地面三維激光掃描儀進行掃描作業(yè)，根據(jù)所需目標點的點云密集程度設置相應的掃描分辨率[4]。

在運用三維激光掃描儀采集到各原始點云數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行處理才能提高其精確度，并將其應用到具體的工程中。數(shù)據(jù)處理分兩個階段進行：第一階段是數(shù)據(jù)預處理，通過預處理將表面噪聲減去并將點云的數(shù)據(jù)量進行縮減，有效提高數(shù)據(jù)精度；第二階段是進行多視點云拼接，在這一階段主要是將2個或2個以上基于掃描儀坐標系中的三維點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到統(tǒng)一坐標系下，得到比較完整的數(shù)據(jù)，然后再進行旋轉(zhuǎn)對齊、粗差剔除以及多視拼接處理，進一步提高數(shù)據(jù)精度。

完成以上操作后便開始提取特征點，通過提取特征點來完成坐標轉(zhuǎn)換。地物地貌特征點的信息是通過手工在配準好的點云數(shù)據(jù)中提取的，在實際的測量作業(yè)中可利用三維激光掃描的后處理軟件來提取。

3 竣工圖紙測繪

在一些新建工程、擴改建工程中，經(jīng)常需要開展竣工圖紙測量，通過測量掌握建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)、場地地形地物、建筑物平面與高程位置關(guān)系等各項信息，最終形成詳細的工業(yè)竣工現(xiàn)狀圖與有關(guān)數(shù)據(jù)資料?？⒐D圖面內(nèi)容比較復雜，涉及多個方面。如竣工圖中首先要有建筑物、工業(yè)廠房的坐標，各管線的高程、位置，房屋結(jié)構(gòu)面積、層數(shù)等各項信息；其次要有地埋管線的各項信息，包括管線名稱、用途、材質(zhì)、規(guī)格、尺寸、走向，以及井蓋編號、直徑、井底大小、溝槽寬度、深度與坡度等，以便為管線的運維管理提供全面、具體的參考信息；還要有架空管線、交通線路、特種構(gòu)筑物的各項信息。

在運用竣工圖測繪技術(shù)測量地下建筑物時，首先要利用竣工圖獲取所需特征點的坐標、高程并繪制對應的草圖，將其編輯成相應格式的數(shù)據(jù)文件，然后將文件通過制圖軟件進行處理，通過處理得到地下建筑物平面圖，之后再利用CAD等進行三維建模，實現(xiàn)三維表達，最終得到地下建筑物三維數(shù)字地形圖。

4 結(jié)束語

綜上所述，地下建筑物的三維表達具有一定優(yōu)勢，其能更形象、直觀、精細以及完整地表達地形、地物，將地表的高低起伏真實反映出來，將地下建筑物的平面位置信息、深度信息等準確地反映出來，將地下空間地理信息直觀、具體以及形象地提供給相關(guān)規(guī)劃與管理人員以便其能更好地分析決策。