地面三維激光掃描儀在建筑規(guī)劃核實中的應(yīng)用

謝耀春

（柳州市勘察測繪研究院有限公司，廣西 柳州 545007）

規(guī)劃核實對建設(shè)單位而言是竣工驗收環(huán)節(jié)一項重要內(nèi)容，其中又以地形測繪為核心。地面三維激光掃描能高效且精準(zhǔn)的獲得目標(biāo)點云坐標(biāo)信息，在不同的測量項目當(dāng)中逐漸得到廣泛應(yīng)用。地面三維激光掃描的工作原理為借助掃描儀發(fā)出激光，然后以激光從反射到接受經(jīng)歷的時間為依據(jù)通過計算確定和目標(biāo)之間的距離，然后根據(jù)水平及垂直方向間隔距離及角度，通過進一步計算得出目標(biāo)點位對應(yīng)的三維坐標(biāo)，由大量矢量點構(gòu)成點云，在設(shè)備中存儲。

1 地面三維激光掃描儀

目前常用的地面三維激光掃描儀型號為Trimble TX8，它將測量與影像等諸多功能集于一體，采用單個儀器方可對高精度數(shù)據(jù)予以捕獲，實現(xiàn)高速三維掃描，在有效測程之內(nèi)，以每秒100萬個精確激光點的速度獲取數(shù)據(jù)。Trimble Tx8 簡化了內(nèi)業(yè)工作，掃描儀純凈、低噪聲的數(shù)據(jù)大大減少了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理所需的時間。其獲取的數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入到RealWorks，同時RealWorks軟件還可以提供高效數(shù)據(jù)流到各種主流的CAD 及清華三維EPS軟件。

2 規(guī)劃核實對地形測繪的基本要求

測區(qū)范圍內(nèi)地形測繪需要實現(xiàn)全數(shù)字化，對竣工建設(shè)項目及周邊地形圖測繪、建筑物平面位置、建筑物高程高度、建筑物立面與剖面進行測量等等，在地形測繪過程中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定做好外業(yè)測繪，所有需要進行實測的地物必須采集數(shù)據(jù)點，避免遺漏。對于所有新建房屋及其各類附屬設(shè)施都要進行實測，而且建筑的凹凸部分還應(yīng)根據(jù)實際情況來表示，不能在實測中舍去。

3 外業(yè)采集數(shù)據(jù)

3.1 控制測量

對于美景華庭規(guī)劃核實測量，兩種方法布設(shè)首級控制點基本相同，利用柳州市勘察測繪研究院有限公司已成熟的網(wǎng)絡(luò)cors站對測區(qū)進行控制點布設(shè)，至少聯(lián)測3 個高等級控制點，高等級控制點所組成的控制點圖形應(yīng)對相關(guān)的RTK 流動站有足夠的控制面積。在流動站可以連續(xù)顯示固定不變的解以后，方可進行平面控制測量，此時各控制點應(yīng)單獨完成二次初始化，在每次初始化過程中都要得出兩組數(shù)據(jù)，其中每一組數(shù)據(jù)都要采集10 個以上歷元數(shù)，當(dāng)4 組數(shù)據(jù)均能達(dá)到定位較差要求時，即可從中選擇1 組，也可采用4 組數(shù)據(jù)的平均值。傳統(tǒng)的測量方法所需要的控制點相對較密集。且點與點之間必須通視。而采用Trimble TX8地面三維激光掃描對該小區(qū)東地塊進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，只需在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)3～4 個控制點即可，且無須通視要求。

3.2 測站選擇

利用無棱鏡全站儀對小區(qū)進行傳統(tǒng)的測量方法在設(shè)站方面需要注意設(shè)置在視野開闊、地面穩(wěn)定的安全區(qū)域，嚴(yán)格控制支站數(shù)，以保證測量精度。

利用地面三維激光掃描需要考慮注意設(shè)置在視野開闊、地面穩(wěn)定的安全區(qū)域，掃描區(qū)域應(yīng)覆蓋這個掃描目標(biāo)物，設(shè)站均勻且盡量減少設(shè)站數(shù)量，但是遇見目標(biāo)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通視困難或線路有拐角的情況應(yīng)適當(dāng)增加掃描站，必要時可搭設(shè)平臺架設(shè)掃描站。

3.3 標(biāo)靶布設(shè)

傳統(tǒng)測量方法無須這一項工作程序，在使用Trimble TX8 地面三維激光掃描儀進行建筑規(guī)劃核實測量中也無須這項工作程序。RealWorks 軟件會根據(jù)兩次設(shè)站掃描數(shù)據(jù)的重復(fù)特征點自動拼接圖形。而在地形測量，無明顯重合征點時就需要標(biāo)靶布設(shè)，作為現(xiàn)場的特征點為下一站掃描做鋪墊。

標(biāo)靶布設(shè)在掃描過程中作為一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要目的在于將掃描完成后得到的點云數(shù)據(jù)集中至相對坐標(biāo)系。對此，在實際的布設(shè)過程中應(yīng)充分考慮網(wǎng)形實際情況，因為實際布設(shè)精度會對點云拼接精度造成很大的影響。靶標(biāo)與測站之間應(yīng)達(dá)到通視，且兩者的間隔距離不能太大，通常不能超過50m。另外，對公共標(biāo)靶與測站進行布設(shè)的過程中，不可處在同一條直線，其目的在于保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。在整個掃描區(qū)域內(nèi)，標(biāo)靶的布置必須達(dá)到均勻，同時還要做到高低錯落，兩個相鄰的測站，其公共標(biāo)靶數(shù)量應(yīng)達(dá)到3 個以上。在條件允許的情況下可直接將地物特征點等作為標(biāo)靶。

3.4 數(shù)據(jù)采集

采用傳統(tǒng)方法進行數(shù)據(jù)采集時，采用單點測量方式，對于所測建筑物，需要不斷地對儀器進行操作，反復(fù)對特征點測量，如遇不規(guī)則建筑物，現(xiàn)場無法確定特征點，則需要測量更多的點，來保證后期數(shù)據(jù)處理的需要，工作量大且煩瑣，效率不高。

采用Trimble TX8 地面三維激光掃描進行數(shù)據(jù)采集時，只需對中、整平、開機、掃描即可。根據(jù)工程需要可以設(shè)置每一站的掃描密度，對于該工程，設(shè)置的掃描時間為4min 一站。對于掃描分辨率，應(yīng)達(dá)到30m 之內(nèi)不低于6mm，實際掃描范圍必須覆蓋整個目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)復(fù)雜程度較高或覆蓋比較困難時，須增加測站的數(shù)量，使相鄰測站點云數(shù)據(jù)實際重疊率達(dá)到30%以上，而部分比較困難的地區(qū)，重疊率應(yīng)達(dá)到15%以上。對于布設(shè)了標(biāo)靶的測站，應(yīng)做好標(biāo)靶識別及精掃，將點云掃描完畢后，做好影像采集，在掃描結(jié)束后將布設(shè)的標(biāo)靶撤走。

3.5 數(shù)據(jù)檢查

在地面三維激光掃描過程中，數(shù)據(jù)檢查也是一個重要環(huán)節(jié)。每完成一次掃描，均立即開始數(shù)據(jù)檢查，需要的內(nèi)容包括：檢查數(shù)據(jù)存儲是否到位；檢查是否能順利打開灰度圖；檢查掃描區(qū)域是否全面；檢查是否對標(biāo)靶進行掃描；檢查是否有噪點存在，并確定噪點的存在對正常使用是否有影響。若檢查未通過，則要對相應(yīng)的區(qū)域重新實施檢測。當(dāng)區(qū)域相對較大時，可重新進行數(shù)據(jù)采集。

3.6 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)測量方法的數(shù)據(jù)處理需把外業(yè)點展入CASS 中，將外業(yè)測量點號按照外業(yè)編碼及草圖一一連接起來。這樣該小區(qū)西面地塊外業(yè)測量了將近2000 個外業(yè)點號，對于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理要用2～3d 的時間來清理圖面。

采用地面三維激光掃描的數(shù)據(jù)包括（TCF 圖像文件、TZF 測站數(shù)據(jù)文件）直接導(dǎo)入RealWorks 軟件中，通過RealWorks 軟件對項目管理進行多測站點云自動拼接、坐標(biāo)系管理、點云去噪與分類、點云取樣抽稀、測距、三維點云展示、三維建模等，最終形成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)的Las 格式的點云數(shù)據(jù)（見圖1），將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入清華三維EPS 三維測圖軟件中點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成在室內(nèi)基于實景三維模型進行地理要素采集，快速制作DLG 數(shù)字線劃圖。然后利用三維測圖軟件的切片功能（見圖2）結(jié)合設(shè)計圖，完成每一層的分層示意圖。采集完成后對內(nèi)業(yè)無法判別及遮擋的要素進行外業(yè)調(diào)繪和補測，調(diào)繪結(jié)束后對DLG 圖面進行圖幅整飾，形成最終符合規(guī)劃核實測量要求的數(shù)字化地形圖。

圖1 小區(qū)局部總平圖展示

圖2 4#樓第一層平圖

4 結(jié)語

綜上所述，地面三維激光掃描儀在規(guī)劃建筑核實測量工作中除了能保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性高、全面性高、自動化程度高、受外界環(huán)境影響小，還能大幅提高工作效率，降低野外工作量，提升生產(chǎn)效率，節(jié)約了勞動成本。隨著地面三維激光掃描儀技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，充分利用地面三維激光掃描儀技術(shù)在各種不規(guī)則建筑物中、文物的三維掃描存檔、超大建筑物群體規(guī)劃核實測量中價值，值得在廣大的測量工作者范圍推廣應(yīng)用。