測繪新技術在建筑工程測量中的應用思路研究

梁位鴻

（廣東建青工程勘察設計咨詢有限公司，廣東東莞 523000）

建筑工程測量工作是指在建筑工程項目完成施工過程中，對在建的施工區(qū)域執(zhí)行測量作業(yè)，通過對測量結(jié)果的分析，達到對工程質(zhì)量監(jiān)督的目的。測量作業(yè)是建筑工程施工進度與工程質(zhì)量的真實體現(xiàn)，也是施工方執(zhí)法監(jiān)督的核心技術手段，一旦工程測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，不僅會影響其后期質(zhì)量審核，還會減縮工程施工的預計收益。

1 基于測繪新技術的建筑工程測量設計

1.1 確定三維激光掃描入射角及掃描距離

為了確保建筑工程測量結(jié)果的有效性，在此次的研究中，引進三維激光掃描技術作為測繪新技術，通過新技術的使用，進行建筑工程現(xiàn)場施工的測量[1]。

在測量前，需要先進行掃描入射角度與掃描有效范圍的確定，并明確掃描設備架設的幾何空間位置決定了掃描行為的發(fā)生條件。在此基礎上，設定一個正向向量P，P 表示掃描設備在向前端發(fā)射激光束時，向量光束掃描到建筑物構(gòu)件表面的方向向量。在上述提出的內(nèi)容中，掃描物體與其表層光束之間的法向量關系可表示為如下所示的計算公式：

公式（1）中：αi表示為三維激光掃描入射角的有效范圍，通常取值在[0～π/2]范圍內(nèi)；Pi表示為第i 個正向向量；N 表示為掃描點云數(shù)據(jù)量。考慮到使用激光光束進行建筑體的掃描可能出現(xiàn)受到發(fā)散現(xiàn)象對其的影響，因此可在入射掃描激光時，選擇垂直入射的方式進行激光高斯發(fā)射。當入射角為0 的條件下，掃描物體上將出現(xiàn)一個圓形圖形，隨著掃描軌跡的增加，得到的圓形圖形覆蓋范圍隨之增大[2]。當入射角的角度不等于0 時，圓形將存在“留跡”現(xiàn)象，對應的掃描軌跡越長，留下的軌跡面積越大。因此，可在確定三維激光掃描入射角及掃描距離時，根據(jù)建筑工程施工現(xiàn)場條件，確定一個有效的掃描范圍，并根據(jù)入射角角度與留跡范圍之間的規(guī)律，進行工程的有效測量。此過程見圖1。

圖1 基于標準激光掃描入射角及掃描距離的現(xiàn)場掃描作業(yè)流程

按照圖1 所示的內(nèi)容，可實現(xiàn)對建筑工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取。

1.2 采集測繪數(shù)據(jù)的拼接配準

在完成對三維激光掃描入射角及掃描距離的確定與建筑施工現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)的獲取后，應當對數(shù)據(jù)進行拼接配準處理。配準過程中，需要將現(xiàn)場獲取的測繪點集中在一個坐標體系中，將對應的點云數(shù)據(jù)坐標與現(xiàn)場作業(yè)影像進行“套合”處理，即恢復在獲取點云數(shù)據(jù)過程中不同建筑體的位置與呈現(xiàn)形態(tài)，確保每個光束采集的信息可與區(qū)域內(nèi)物體形成對應[3]。在進行建筑工程現(xiàn)場全景拼接時，可根據(jù)獲取的單張圖像面陣，將其與點云數(shù)據(jù)進行空間映射，結(jié)合映射后的圖像得到高精度現(xiàn)場作業(yè)圖像。在此過程中，涉及的配準設備包括全景攝像機、傳感器，配準的過程可用圖2 所示的流程表示。

按照上述流程，對三維激光測繪數(shù)據(jù)進行配準，在完成獨立區(qū)域數(shù)據(jù)的配準處理后，根據(jù)建筑施工現(xiàn)場不同區(qū)域作業(yè)之間的聯(lián)系性，進行配準數(shù)據(jù)的拼接。拼接過程中，參照圖2 所示的流程，將不同施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)導入指定坐標系中，通過對接坐標系的方式，便可以實現(xiàn)對采集測繪數(shù)據(jù)的拼接配準。完成建筑工程現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的處理后，將數(shù)據(jù)指向的信息與圖示導入計算機內(nèi)，生成一張可用于描述建筑工程施工現(xiàn)場的測繪地質(zhì)圖。

圖2 三維激光測繪數(shù)據(jù)配準流程

1.3 建筑工程結(jié)構(gòu)三維測量

完成對測繪數(shù)據(jù)的采集以及拼接配準后，通過實現(xiàn)建筑工程結(jié)構(gòu)的三維建模實現(xiàn)對其整體測量。結(jié)合激光掃描設備對建筑工程結(jié)構(gòu)進行掃描，并將儀器掃描的中心點看作三維模型的中心點。通過對掃描設備發(fā)出的射線水平方向與目標點到中心點構(gòu)成的夾角，垂直方向與目標點到中心點構(gòu)成的夾角的測量、對其之間的直線距離的測量，得到三維坐標當中的距離數(shù)值和角度數(shù)值。將上述得到的測量結(jié)果作為測量目標的陣列點云數(shù)據(jù)，并將其作為極坐標當中的數(shù)據(jù)。將其與反射強度信息構(gòu)成測量數(shù)據(jù)條件，結(jié)合圖3 中所示內(nèi)容，確定三維模型中各個測量點的坐標。

圖3 建筑工程結(jié)構(gòu)三維測量原理圖

在三維模型當中，可采用轉(zhuǎn)換對極坐標與笛卡爾坐標的方式，在對應的三維模型中進行測點坐標的確定，轉(zhuǎn)換過程的計算公式為：

公式（2）中，x、y、z 表示為在極坐標當中測點的橫軸坐標、縱軸坐標和空間坐標；r 表示為轉(zhuǎn)換系數(shù)；θ 表示為橫軸和目標點與中心點連線構(gòu)成的夾角；φ 表示為縱軸和目標點與中心點連線構(gòu)成的夾角。根據(jù)上述公式（2）計算得出各個測量點在三維空間中的坐標，實現(xiàn)對其建筑工程結(jié)構(gòu)的三維測量。同時，在實際應用中，根據(jù)測量精度的需要，為了進一步提高點云數(shù)據(jù)在三維模型當中的數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以利用相關三維處理軟件對建筑工程結(jié)構(gòu)細節(jié)部分進行處理和鑲嵌。同時，完成測量后，將數(shù)據(jù)以不同的格式存儲，將其提供給建筑工程空間數(shù)據(jù)庫或?qū)墓こ添椖慨斨?，最終完成對測量結(jié)果的輸出。

2 對比實驗

為進一步驗證本文上述提出的測量方法在實際應用中的合理性，選擇以某辦公樓作為研究對象，分別利用本文提出的測量方法和傳統(tǒng)測量方法對該辦公樓進行測量。本文測量方法的基本流程為：獲取不同測站的點云數(shù)據(jù)；對測繪數(shù)據(jù)進行采集并實現(xiàn)拼接配準；實現(xiàn)建筑工程結(jié)構(gòu)三維測量。傳統(tǒng)測量方法按照以往測量方式完成。在實驗過程中所需的掃描儀為Riegl VZ-150-8645 型號掃描儀，同時還需要反射片標靶兩個和兩個三腳架。首先通過現(xiàn)場實地測量的方式，確定在該建筑結(jié)構(gòu)當中三個公共點的三維坐標，并將其記錄如表1 所示。

表1 實驗中三個公共點的三維坐標

表1 中X 表示為公共點橫坐標；Y 表示為公共點縱坐標；Z表示為公共點空間坐標。在明確三個公共點的三維坐標后，分別利用本文測量方法和傳統(tǒng)測量方法對公共點坐標進行測算，并計算得出其相應的坐標差以及坐標中誤差。坐標差為公共點三維坐標實際值與測量結(jié)果的差值；坐標中誤差為公共點三個方向上坐標差的平均值。按照上述論述，將計算結(jié)果繪制成表2。

表2 兩種測量方法坐標差與坐標中誤差（單位：mm）

從表2 中得出的實驗數(shù)據(jù)可知，本文方法在對三個公共點的坐標測量時，坐標差最大為1mm，最小為0mm，坐標中誤差在0.33mm～0.67mm 范圍內(nèi)；傳統(tǒng)方法對三個公共點的坐標測量時，坐標差最大為5mm，最小為2mm，坐標中誤差在3.00mm～4.00mm 范圍內(nèi)。因此，通過上述得出的實驗結(jié)果可以證明，本文提出的測量方法能夠有效降低各個測點的測量誤差，并且將其控制在合理范圍內(nèi)，充分滿足建筑工程中對測量精度提出的誤差小于2.00mm 的要求，證明本文測量方法具有更高的應用合理性。

3 結(jié)論

本文引進三維激光掃描技術作為測繪新技術，對建筑工程測量作業(yè)的實施進行了設計，并在完成對作業(yè)方法的設計后，將對比實驗作為依托，將本文設計的測量方法與傳統(tǒng)測量方法進行實踐應用比對，經(jīng)過實踐測試后證明，本文設計的測量方法，可以有效地降低建筑工程測量結(jié)果中的誤差，從而提高測量的精度。但此次研究僅從外業(yè)作業(yè)層面進行了方法的設計，沒有考慮到建筑內(nèi)業(yè)作業(yè)施工測量中的相關問題，因此，可在后期的研究中，將建筑內(nèi)業(yè)測量作為研究重點，通過規(guī)范測量流程的方式，為建筑工程內(nèi)業(yè)與外業(yè)測量作業(yè)方法進行設計。希望通過此次的研究，為我國建筑行業(yè)在經(jīng)濟市場的穩(wěn)定發(fā)展提供技術層面指導。