三維激光掃描技術(shù)在異形建筑竣工測量中的應(yīng)用

聶飛 肖琦

（1.江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊(duì)，江西 南昌 330001；2.江西省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì),江西 萍鄉(xiāng) 337055）

1 引言

竣工測量是指在建筑物新建、擴(kuò)建、改建過程后，對建筑的相關(guān)位置、實(shí)際面積等進(jìn)行的測量工作[1]。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，以及施工工藝的快速發(fā)展，越來越多的異形建筑出現(xiàn)，異形建筑在給人們帶來視覺享受的同時(shí)，也給竣工測量工作帶來了挑戰(zhàn)[2]。傳統(tǒng)竣工測量作業(yè)方式主要包括全站儀數(shù)字測圖、GPS-RTK 測量、手持測距儀和鋼尺直接測量法等，這幾種作業(yè)方式都是通過獲取有限的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)來繪制建筑平面、立面和剖面圖等竣工測量成果，雖然簡單有效，但僅適用于形狀較簡單的建筑物。異形建筑由于形狀不規(guī)則，僅靠有限的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)來繪制相關(guān)圖件非常困難，因此尋找一種高效快捷的竣工測量方法是當(dāng)前急需解決的問題。三維激光掃描技術(shù)是繼GPS 之后興起的又一次技術(shù)革命和創(chuàng)新，其采用非接觸的測量方式可全自動、高精度地獲取物體表面的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后期結(jié)合相關(guān)軟件可高效快捷地獲取異形建筑的竣工測量成果，將其應(yīng)用于異形建筑竣工測量具有非常大的優(yōu)勢。

2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是于上世紀(jì)90 年代中期發(fā)展并逐漸成熟起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其原理和全站儀測距測角類似，不同點(diǎn)在于傳統(tǒng)方式是通過單點(diǎn)逐一測量物體的坐標(biāo)，而三維激光掃描技術(shù)無需接觸測量目標(biāo)，通過發(fā)射連續(xù)激光束就可快速獲取物體表面的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，參照配套相機(jī)采集的紋理和色彩信息，再利用相關(guān)軟件就可以大面積、高分辨率地復(fù)建出被測物體的三維空間模型，從而實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)測量到面測量的跨越，因此它又被稱作為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[3]。三維激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以掃描坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，掃描坐標(biāo)系的定義為：以發(fā)射激光束處為該坐標(biāo)系原點(diǎn)，X軸為掃描儀水平轉(zhuǎn)動軸的零方向，Z軸為掃描儀水平時(shí)的天頂方向（理論豎直軸），Y軸與X軸、Z軸成右手坐標(biāo)關(guān)系[4]，三維激光掃描技術(shù)測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測量原理

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目包括容納兩棟辦公的塔樓、配套商業(yè)裙房、地下車庫及城市綠地等功能，總建筑面積約8.6 萬m2。該建筑物外形設(shè)計(jì)新穎前衛(wèi)，屬于典型的不規(guī)則多邊形異形建筑，樓層錯落有致、傾斜交錯、樓體凹凸多變、層層堆疊（如圖2 所示）。整個(gè)建筑外墻多為鋁合金玻璃幕墻體系，利用全站儀設(shè)站測量很難準(zhǔn)確測量各層建筑輪廓特征點(diǎn)，這給利用傳統(tǒng)測量方法開展竣工測量帶來了挑戰(zhàn)。

鑒于該項(xiàng)目的建筑特色，采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行竣工測量能夠快速有效地獲取建筑輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用專業(yè)軟件Cyclone 對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，編繪出竣工圖件并計(jì)算建筑面積。Cyclone 是徠卡公司推出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)管理、協(xié)同作業(yè)數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)瀏覽等功能，是三維激光掃描產(chǎn)品的最佳伴侶。

圖2 某異形建筑外觀

3.2 數(shù)據(jù)采集

（1）控制測量

選用項(xiàng)目周邊已有的為滿足施工控制測量布設(shè)的2 個(gè)二級導(dǎo)線點(diǎn)作為起始點(diǎn)，二級導(dǎo)線點(diǎn)的高程按照四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行聯(lián)測。掃描線路布設(shè)成閉合導(dǎo)線，導(dǎo)線點(diǎn)位分布設(shè)在建筑物的周邊，考慮到兩棟高層建筑的頂部構(gòu)造比較復(fù)雜，因此在建筑物的4 個(gè)拐角處選擇合適的角度設(shè)站，掃描控制網(wǎng)的布設(shè)如圖3 所示。布設(shè)好控制點(diǎn)后，利用CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 聯(lián)測已知二級導(dǎo)線點(diǎn)，經(jīng)檢測平面及高程精度均滿足《城市測量規(guī)范》的要求后方可進(jìn)行觀測，每個(gè)控制點(diǎn)均觀測兩次，取兩次觀測值的平均值作為終值，最終得到每個(gè)控制點(diǎn)在CGCS2000 坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)和高程，便于后期將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到該大地坐標(biāo)系下。

圖3 掃描控制網(wǎng)布設(shè)

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取采用華測Z+F IMAGER 5010C 地面高精度激光掃描儀，該掃描儀具有易攜輕量化、外業(yè)操作簡單、快速等優(yōu)點(diǎn)，它使用極其纖細(xì)的近紅外線激光束，采用非接觸式快速獲取數(shù)據(jù)的脈沖式掃描機(jī)制原理，每秒發(fā)射最高可達(dá)110 萬點(diǎn)的纖細(xì)激光束，能獲取相對精度高、覆蓋范圍廣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單站即能獲取一幢樓一個(gè)立面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的具體步驟為：架設(shè)三維激光掃描儀、整平并設(shè)置適宜的高度、設(shè)置好掃描參數(shù)、將后視標(biāo)靶架設(shè)在已知點(diǎn)、直接對待測立面進(jìn)行掃描并獲取點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone 軟件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要有點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云統(tǒng)一、點(diǎn)云輸出四個(gè)步驟。

（1）點(diǎn)云拼接

為保證建筑物表面點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度，采用序列拼接的方法，從第一站開始，將前兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone，先利用兩站點(diǎn)云間4 個(gè)球形標(biāo)靶進(jìn)行初配準(zhǔn)，再利用重疊點(diǎn)云進(jìn)行ICP 配準(zhǔn)。按照這種策略將9 站點(diǎn)云拼接完成后，首尾重疊處的點(diǎn)云相差在6mm 以內(nèi)，滿足建模精度的要求。

（2）點(diǎn)云去噪

利用Cyclone 軟件手動去除點(diǎn)云中含有粗差的數(shù)據(jù)和無效的形體數(shù)據(jù)，這一過程屬于去噪處理，在Cyclone 軟件中打開拼接完成后的9 站點(diǎn)云總圖，通過旋轉(zhuǎn)、放大操作將點(diǎn)云調(diào)整到理想位置，根據(jù)需要在工具欄中選擇合適的工具去除噪聲點(diǎn)。

（3）點(diǎn)云統(tǒng)一

去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在相鄰兩站點(diǎn)云重疊區(qū)域存在數(shù)據(jù)冗余，造成數(shù)據(jù)量增大、采樣間隔不一致的狀況，因此需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，具體過程就是在保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，利用Cyclone 軟件壓縮點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量，再對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，將多站點(diǎn)云合并成一個(gè)整體。

（4）點(diǎn)云輸出

將Cyclone 軟件預(yù)處理完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為特定格式，以便在點(diǎn)云成圖軟件中進(jìn)行深加工，處理后的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 處理后的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)

3.4 建筑平面圖繪制和面積計(jì)算

由于建筑物某些層的面積形狀是相同的，只提取有代表性的建筑層計(jì)算面積，下面以其中某層為例，說明橫切面提取及面積計(jì)算的方法。

（1）提取層模型。在Cyclone 軟件中用Rectangle Fence Mode 命令選取該層建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過Copy Fenced to New ModelSpace 復(fù)制模型到新的模型空間，選取菜單欄中的Top View，從選取層的頂視圖可看到此層的粗略輪廓線。

（2）將特征層導(dǎo)入CAD。預(yù)先安裝Cloud-Worx 插件，CAD 軟件的菜單欄會自動出現(xiàn)Cloud-Worx 選項(xiàng)，利用Cloud-Worx 插件將Cyclone 軟件中的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入CAD，在CAD 菜單的三維視圖中選擇俯視，就可出現(xiàn)層模型的輪廓線。

（3）建筑平立面圖繪制。由于目標(biāo)建筑物很高且樓層越往上拐角越多，從地面使用仰角掃描樓層的中部和頂部時(shí)，會出現(xiàn)一些拐角被遮擋而缺少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。為提高建筑物面積的提取精度，研究采用構(gòu)造線的方法來彌補(bǔ)層模型不規(guī)則的地方，如直角處與對稱處，導(dǎo)入CAD 的建筑物輪廊線有缺少數(shù)據(jù)的部分，根據(jù)對稱性原則，可通過構(gòu)造線方法，較好地還原建筑層的形狀和特征。用構(gòu)造線對粗略輪廓線的所有邊都進(jìn)行勾畫，可得到層模型比較精細(xì)的輪廓線，再用多線段對輪廓線進(jìn)行繪制，可得到最終的建筑物精細(xì)平面圖。結(jié)合數(shù)碼相機(jī)獲取的高分辨率影像，利用CAD 進(jìn)行建筑立面線劃圖的提取與繪制（如圖5 所示）。

圖5 建筑平立面圖

3.5 精度驗(yàn)證

表1 全站儀實(shí)測坐標(biāo)與三維激光掃描測量坐標(biāo)對比

為了驗(yàn)證本次竣工測量成果的質(zhì)量，在建筑物上選取12 個(gè)特征點(diǎn)，分別用免棱鏡全站儀測量出所有特征點(diǎn)的坐標(biāo)，將其結(jié)果與三維激光點(diǎn)云中量取的坐標(biāo)值進(jìn)行比較[5]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。從表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，12 個(gè)特征點(diǎn)的平面位置誤差為0.012m，高程誤差為0.011m，滿足CJJ/T 8-2011《城市測量規(guī)范》關(guān)于城市建筑竣工測繪的相關(guān)精度要求。

3.6 效率分析

任務(wù)完成后，項(xiàng)目組將傳統(tǒng)竣工測量方法與利用三維激光掃描技術(shù)的生產(chǎn)效率進(jìn)行了比較：在外業(yè)效率方面，利用GPS-RTK 和全站儀數(shù)字測圖的方法需要兩個(gè)人，用時(shí)3 天；而三維激光掃描技術(shù)不到1 天即可完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。在內(nèi)業(yè)效率方面，傳統(tǒng)方法需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)，再跟草圖進(jìn)行對比，最后繪制出成果圖；而三維激光掃描技術(shù)可以在導(dǎo)出數(shù)據(jù)后直接在點(diǎn)云上描繪，再經(jīng)過簡單處理就可直接出成果圖，經(jīng)比較，內(nèi)業(yè)出圖效率比傳統(tǒng)作圖高出3 倍以上?？傮w來看，三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測繪方法相比，生產(chǎn)效率至少提高了3 倍以上，應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)具有掃描速度快、數(shù)據(jù)信息量大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于復(fù)雜、不規(guī)則的異形建筑中能夠顯著提高竣工測量的工作效率，同時(shí)，還可提高規(guī)劃核實(shí)工作的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和高效性。但是，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中依然存在一些問題，比如難以獲取到異形建筑物頂部的數(shù)據(jù)，而且遇到掃描對象為玻璃幕墻等反射率較低的建筑材料時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量不是十分理想，相信隨著儀器的不斷升級以及相關(guān)軟件功能的不斷完善，以上問題都會得到妥善解決，該技術(shù)必將具有廣闊的應(yīng)用前景。