三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中的應(yīng)用研究

張 蕊 遼寧云輝建設(shè)工程有限公司

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量方式中存在的不足。三維激光掃描技術(shù)可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)射出數(shù)十萬(wàn)個(gè)的點(diǎn)，以點(diǎn)云的方式表達(dá)三維空間幾何形態(tài)，采用高分辨相片技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體的三維正射影像，以三維圖像表達(dá)物體狀態(tài)，解決傳統(tǒng)技術(shù)中存在的各種測(cè)繪問(wèn)題，可有效提高工作的效率和質(zhì)量。

2 建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪相關(guān)概述研究

2.1 主要內(nèi)容

2.1.1 總平面圖測(cè)量

總平面圖測(cè)量作為建筑規(guī)劃竣工測(cè)量的重要內(nèi)容之一，通過(guò)運(yùn)用科學(xué)合理的測(cè)量技術(shù)手段，可以充分有效的顯示建筑區(qū)域的具體位置，確保區(qū)域定位的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。在實(shí)際開(kāi)展總平面圖測(cè)量工作中，首先需要結(jié)合地形圖編制的任務(wù)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上對(duì)工程項(xiàng)目的總平面圖開(kāi)展高效測(cè)量。其中需注意的是，總平面圖測(cè)量包括區(qū)域全部要素，包括臨近區(qū)域的地形地貌等。在實(shí)際當(dāng)中如果臨近區(qū)域?qū)儆诘缆饭こ添?xiàng)目，此時(shí)要結(jié)合相關(guān)的測(cè)量技術(shù)顯示道路的輪廓線。如果臨近區(qū)域的起伏特征比較明顯，為了確保總平面圖測(cè)量成效，需對(duì)起伏區(qū)域?qū)嵤└叱虦y(cè)量，大體范圍在建筑施工區(qū)域的30m以內(nèi)。在實(shí)施高程測(cè)量過(guò)程中，一要明確區(qū)域高程點(diǎn)位，二要合理控制建筑細(xì)部點(diǎn)及高程點(diǎn)的誤差，一般不得超過(guò)5cm。

2.1.2 面積測(cè)算

對(duì)于建筑竣工中面積測(cè)量環(huán)節(jié)，一般涉及的內(nèi)容比較繁瑣復(fù)雜，包括綠地面積測(cè)量、地下空間面積測(cè)量以及建筑基底面積測(cè)量等，在完全明確上述測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，還要對(duì)比分析測(cè)量結(jié)果與規(guī)劃指標(biāo)，明確竣工測(cè)量環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，及時(shí)查找并解決，避免建筑施工面積測(cè)量出現(xiàn)偏差。

2.1.3 建筑高度測(cè)量

通常而言，測(cè)量的主要內(nèi)容包括女兒墻頂部、室內(nèi)層級(jí)地坪及建筑出入口測(cè)量等，為了全面有效提升建筑高度測(cè)量水平，在實(shí)際中可以運(yùn)用水準(zhǔn)儀或全站儀等測(cè)量設(shè)備，能有效確保測(cè)量精準(zhǔn)度，還可以大幅降低人工測(cè)量過(guò)程中存在的測(cè)量誤差。

2.1.4 建筑間距測(cè)算

在實(shí)際建筑間距測(cè)量工作中，工作人員需要以裙樓外墻面為基準(zhǔn)實(shí)施操作，同時(shí)針對(duì)不同的建筑間距，要分別標(biāo)注建筑間距。對(duì)于個(gè)別特殊性的高層建筑，如果建筑位于坡面上，此時(shí)建筑間距的測(cè)量方法會(huì)有所差異，通常測(cè)算需要先獲取屋脊線在地面上的水平投影間距，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行間距測(cè)算。在開(kāi)展間距測(cè)算工作中，還要結(jié)合建筑竣工圖紙，在該圖紙上標(biāo)注各建筑間距參數(shù)，同時(shí)確保測(cè)算精準(zhǔn)度，一般要將誤差控制在0.01m以內(nèi)。

2.2 測(cè)量現(xiàn)狀

2.2.1 控制點(diǎn)位難以滿足測(cè)量要求

就目前而言，在實(shí)際開(kāi)展建筑規(guī)劃竣工測(cè)量工作中，存在很多影響和干擾因素，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度較差。很多城市建筑及道路施工建設(shè)中，存在人為破壞的嚴(yán)重問(wèn)題，不僅影響到建筑整體的使用壽命，也造成控制點(diǎn)位的破壞，使得點(diǎn)位選擇難以滿足竣工測(cè)量的現(xiàn)實(shí)要求。建筑竣工測(cè)量很多時(shí)候會(huì)處于施工作業(yè)地帶，如此控制點(diǎn)位破壞問(wèn)題的干擾會(huì)更大，加之很多控制點(diǎn)距離竣工測(cè)量區(qū)域比較遠(yuǎn)，要想有效開(kāi)展竣工測(cè)量，需布設(shè)控制網(wǎng)，所以測(cè)量難度大幅增加。

2.2.2 測(cè)量難度大

受到測(cè)量技術(shù)手段方面的制約，在以往開(kāi)展竣工測(cè)量中，全站儀是較常見(jiàn)的設(shè)備儀器，但要想利用全站儀發(fā)揮理想的測(cè)量效果，還要配合棱鏡使用，即在開(kāi)展測(cè)量前將棱鏡放在準(zhǔn)確的測(cè)量位置，然后實(shí)施測(cè)量作業(yè)。需要注意的是，很多竣工測(cè)量項(xiàng)目中，建筑物高空結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性的變化，加之建筑樓頂拐角位置測(cè)量人員難以抵達(dá)，所以數(shù)據(jù)采集存在很大的難度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響。

2.2.3 不規(guī)則建筑測(cè)量困難

對(duì)于個(gè)別建筑物來(lái)說(shuō)，由于形狀存在不規(guī)則特點(diǎn)，在實(shí)際開(kāi)展竣工測(cè)量時(shí)也會(huì)面臨很大的難題。一般竣工測(cè)量大都是采用點(diǎn)測(cè)量的方式，即每一次的測(cè)量只獲取單獨(dú)一個(gè)點(diǎn)位。但是對(duì)于不規(guī)則建筑物結(jié)構(gòu)，需要獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如此才能確保測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性，所以迫切需要引進(jìn)高端先進(jìn)的竣工測(cè)量技術(shù)手段，全面提升測(cè)量精準(zhǔn)度。

3 三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及原理分析

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

對(duì)比傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)方式，三維激光掃描技術(shù)在外業(yè)測(cè)量中具備較大的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，將其運(yùn)用到建筑竣工測(cè)量中，可以憑借技術(shù)的功能優(yōu)勢(shì)，真實(shí)有效地將建筑物的各個(gè)細(xì)節(jié)特征充分顯示，尤其是對(duì)于一些高層建筑、不規(guī)則建筑等，三維激光掃描技術(shù)可以克服以往技術(shù)存在的弊端，發(fā)揮出理想的測(cè)量效果。三維激光掃描技術(shù)在竣工測(cè)量中的應(yīng)用，還實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)測(cè)量方式的優(yōu)化升級(jí)，形成了一種新型的點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集方式?？傮w而言，三維激光掃描技術(shù)在建筑規(guī)劃竣工測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)揮出實(shí)質(zhì)性的作用和價(jià)值，包括以下幾點(diǎn)：第一，三維激光掃描技術(shù)通過(guò)非接觸式的測(cè)量原理，可以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的建筑實(shí)施遠(yuǎn)程測(cè)量，不需要人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，因此適應(yīng)范圍比較廣泛，效果比較理想。第二，相對(duì)比一般的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取速度更快，通常可以達(dá)到30萬(wàn)點(diǎn)/s，不僅極大地縮短了建筑竣工測(cè)量的周期，同時(shí)也全面提升了測(cè)量效率和質(zhì)量，降低了人工測(cè)量勞動(dòng)力。第三，對(duì)于以往的測(cè)量方式，一般只能獲取平面及少量的高程數(shù)據(jù)信息，然后結(jié)合數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果制作二維竣工圖紙，以此為基礎(chǔ)測(cè)算相關(guān)面積參數(shù)。而結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維激光掃描技術(shù)，不僅具備快速高效、成本投入低等諸多優(yōu)勢(shì)，而且獲取的影像數(shù)據(jù)信息通過(guò)相關(guān)軟件的處理，可以建立三維數(shù)據(jù)模型，在后續(xù)的使用中指導(dǎo)性和參考性更強(qiáng)。

3.2 技術(shù)原理

結(jié)合建筑竣工測(cè)量作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不同，在實(shí)際運(yùn)用地面三維激光掃描技術(shù)時(shí)，可以將其細(xì)分為兩種作業(yè)方式，即固定式和移動(dòng)式。由于兩種方式的標(biāo)準(zhǔn)存在差異，三維激光測(cè)距的方法也不盡相同。二者共同表現(xiàn)出的測(cè)量原理是利用激光測(cè)距的方式獲取高精密度的數(shù)據(jù)信息，最終完成竣工測(cè)量項(xiàng)目。在實(shí)際開(kāi)展竣工測(cè)量時(shí)，為了更進(jìn)一步提升三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用效果，相關(guān)作業(yè)人員需要從多個(gè)維度獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行整合分析，目的是在提升竣工測(cè)量準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮短竣工測(cè)量周期。

4 三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用要點(diǎn)

4.1.1 技術(shù)流程

在建筑規(guī)劃竣工測(cè)量中運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，主要涉及外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)信息優(yōu)化處理，其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集又包括竣工交付項(xiàng)目控制測(cè)量、工程信息采集以及激光掃描等內(nèi)容，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理則包括數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建等。在實(shí)際運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，相關(guān)人員要有效確保內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)信息處理的質(zhì)量，為坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作的開(kāi)展提供充分指導(dǎo)。同時(shí)，對(duì)于外業(yè)控制測(cè)量而言，在運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)可以結(jié)合GPS、RS 技術(shù)進(jìn)行操作，即先利用GPS 定位技術(shù)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位布控，再配合無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施遠(yuǎn)程控制測(cè)量，全面提升數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量和效率。

4.1.2 竣工測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集

三維激光掃描技術(shù)在進(jìn)行竣工測(cè)量獲取數(shù)據(jù)信息中，除了嚴(yán)格按照技術(shù)流程和規(guī)范執(zhí)行操作以外，還要結(jié)合工程實(shí)際調(diào)整設(shè)備儀器，一般的建筑竣工測(cè)量項(xiàng)目選擇反射距離在500m左右的三維激光掃描儀即可。就目前測(cè)量領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用模式包括單站絕對(duì)定向模式和無(wú)靶標(biāo)相對(duì)定向模式兩種，其中前者要想發(fā)揮理想的測(cè)量效果，需要嚴(yán)格控制掃描點(diǎn)位與靶標(biāo)的位置信息，在此基礎(chǔ)上設(shè)定相關(guān)測(cè)量參數(shù)，完成竣工測(cè)量任務(wù)。后者的原理在于優(yōu)化和簡(jiǎn)化處理建筑竣工測(cè)量項(xiàng)目的掃描作業(yè)流程，顯著提升測(cè)量效率，一般結(jié)合GPS 技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)采集效率更高，質(zhì)量更好。

4.1.3 數(shù)據(jù)集中優(yōu)化處理

在完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作后，需開(kāi)展內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)信息集中優(yōu)化處理工作，目的是去噪和修復(fù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提升目標(biāo)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)度。一般外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中會(huì)受到多方面因素的干擾和影響，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪音、間停等問(wèn)題，為了避免對(duì)測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)造成影響，要結(jié)合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪和修復(fù)，確保數(shù)據(jù)具備足夠的完整性。在實(shí)際開(kāi)展數(shù)據(jù)優(yōu)化處理工作中，結(jié)合三維激光掃描儀的配套軟件去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪音，接著集中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和修復(fù)處理。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式包括后視定向配準(zhǔn)和站間配準(zhǔn)兩種，前者主要是在軟件中數(shù)據(jù)靶標(biāo)坐標(biāo)以及測(cè)站基準(zhǔn)坐標(biāo)信息，然后結(jié)合后視定向配準(zhǔn)模塊，轉(zhuǎn)換處理原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)；而后者則是通過(guò)人機(jī)協(xié)作的方式進(jìn)行操作。

4.1.4 三維激光掃描技術(shù)的精確度指標(biāo)

在實(shí)際運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑竣工測(cè)量時(shí)，通常要嚴(yán)格確保測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)符合既定標(biāo)準(zhǔn)。按照城市測(cè)量規(guī)范，在開(kāi)展建筑物竣工測(cè)量中，可將竣工測(cè)量精度分為以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：一類標(biāo)準(zhǔn)是平面精度誤差在5cm以內(nèi)，二類及三類誤差限定標(biāo)準(zhǔn)分別是7.5cm、25cm。而對(duì)于高程測(cè)量精度，誤差要在15cm 以內(nèi)。在對(duì)整體建筑實(shí)施竣工測(cè)量中，以往的各項(xiàng)測(cè)量技術(shù)手段均能達(dá)到測(cè)量精準(zhǔn)度的要求，而對(duì)于復(fù)雜、不規(guī)則的建筑竣工測(cè)量項(xiàng)目，需要運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行局部精準(zhǔn)度控制。

4.2 應(yīng)用實(shí)踐

4.2.1 工程概況

某建筑工程項(xiàng)目占地0.07km2，包括6 棟高層建筑及10 棟多層建筑，其項(xiàng)目整體布局如圖1 所示。該建筑工程周邊的道路基本竣工，小區(qū)內(nèi)部綠化項(xiàng)目未進(jìn)行，植被覆蓋率較低，點(diǎn)位遮擋因素可以排除，所以可以運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)實(shí)施竣工測(cè)量。

圖1 項(xiàng)目布局結(jié)構(gòu)

4.2.2 數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目

本次研究中主要利用自由設(shè)站法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，在實(shí)際開(kāi)展作業(yè)中，要保證各站之間的重疊度參數(shù)符合要求，結(jié)合采集的公共地物點(diǎn)位進(jìn)行點(diǎn)云拼接。在該項(xiàng)目中，各棟建筑之間構(gòu)成了一個(gè)掃描閉合環(huán)，使得整體建筑結(jié)構(gòu)如同一個(gè)龐大的閉合網(wǎng)。本次測(cè)量中，共計(jì)架設(shè)61個(gè)站位，其中每一個(gè)站位的用時(shí)在2.5min左右。

4.2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

將上述獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone 軟件中，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接處理。在此過(guò)程中，由于相鄰站之間不可避免會(huì)出現(xiàn)缺少公共點(diǎn)位的情況，加之環(huán)境因素的干擾，所以點(diǎn)位拼接中需要人工干預(yù)，本次研究中主要運(yùn)用到了目視拼接法，點(diǎn)云拼接過(guò)程中存在的誤差符合拼接精度要求。拼接完成后導(dǎo)入外業(yè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，將點(diǎn)云模型校正到測(cè)量坐標(biāo)系中，形成可直接測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.2.4 竣工地形圖測(cè)繪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳入EPS 三維測(cè)圖軟件中進(jìn)行竣工地形圖測(cè)繪，數(shù)據(jù)采集主要有建筑物各分層輪廓線采集、建筑物特征部位高程采集、構(gòu)成小區(qū)的環(huán)境地物特征點(diǎn)采集、高程注記點(diǎn)采集，以及與周邊環(huán)境做好相互銜接處理。由于軟件可在三維窗口和二維窗口自由切換，并且實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集和編輯工作可同步進(jìn)行，相較于傳統(tǒng)的切片處理作業(yè)模式，效率有較大改善。地形圖數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖2所示，圖形編輯完成后，疊加項(xiàng)目規(guī)劃控制紅線，并添加工程圖廓,并輸出DWG 格式竣工地形圖供項(xiàng)目使用。

圖2 EPS三維點(diǎn)云測(cè)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建筑規(guī)劃竣工測(cè)量項(xiàng)目中運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)，一方面可以顯著提升測(cè)量精準(zhǔn)度，另一方面還可以有效縮短測(cè)量周期，降低人工測(cè)量勞動(dòng)力。為了進(jìn)一步提升三維激光掃描竣工測(cè)量效果，在實(shí)際當(dāng)中要嚴(yán)格按照規(guī)范流程執(zhí)行操作，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際調(diào)整技術(shù)流程及設(shè)備儀器，并結(jié)合GPS、RS等技術(shù)，全面提升三維激光掃描質(zhì)量。本文結(jié)合實(shí)例分析，將三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際的工程竣工測(cè)量項(xiàng)目中，經(jīng)對(duì)比分析，測(cè)量結(jié)果的誤差符合精度要求，可以發(fā)揮出實(shí)質(zhì)性的測(cè)量效果，應(yīng)大力推廣及運(yùn)用。