工程測(cè)量與三維測(cè)繪技術(shù)發(fā)展分析

龍為

（粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

工程項(xiàng)目建設(shè)中需要對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工等各項(xiàng)環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)量，為工程項(xiàng)目提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，而三維測(cè)繪技術(shù)是工程測(cè)量的重要技術(shù)，且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維測(cè)繪技術(shù)的類型及應(yīng)用都在不斷廣泛，已經(jīng)為工程測(cè)量提供了巨大的幫助，為此相關(guān)人員應(yīng)對(duì)三維測(cè)繪的各項(xiàng)技術(shù)加以掌握，提升工程測(cè)量工作的質(zhì)量。

1 工程測(cè)量與三維測(cè)繪技術(shù)的概念

施工項(xiàng)目建設(shè)中需要對(duì)設(shè)計(jì)、施工及管理等階段通過工程測(cè)量工作提供更為有力的理論與數(shù)據(jù)參考，特別是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、城市建設(shè)與國(guó)防項(xiàng)目中，也是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)。工程測(cè)量可分為規(guī)劃設(shè)計(jì)測(cè)量、建設(shè)測(cè)量、竣工驗(yàn)收測(cè)量與運(yùn)營(yíng)管理測(cè)量，在建設(shè)項(xiàng)目的各個(gè)階段中，工程測(cè)量可以被運(yùn)用到在各個(gè)步驟，為各個(gè)階段中獲取地形環(huán)境信息，確保設(shè)計(jì)圖紙及工程檢測(cè)的準(zhǔn)確性，發(fā)揮著越來越重要的作用。

而三維測(cè)繪技術(shù)則是對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行全面的測(cè)量，確定被測(cè)物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，更為精細(xì)化地測(cè)量出被測(cè)物體的尺寸、定位、輪廓等方面的數(shù)據(jù)，降低傳統(tǒng)中測(cè)量任務(wù)的復(fù)雜程度以及所需時(shí)間，還可以與計(jì)算機(jī)技術(shù)相互融合，提升其立體性及科學(xué)性，將被測(cè)物體的各個(gè)方面更為直觀地進(jìn)行表達(dá)，滿足設(shè)計(jì)工作者的相關(guān)訴求，提升項(xiàng)目質(zhì)量。

2 工程測(cè)量與三維測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

首先，三維測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量中應(yīng)用可以對(duì)原本的測(cè)量步驟進(jìn)行優(yōu)化，確保測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性，并為后續(xù)設(shè)計(jì)及施工等工作提供更為有力的支持。測(cè)量過程中，三維測(cè)繪技術(shù)也是一項(xiàng)數(shù)字化技術(shù)，通過該技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)一些較大的、難以測(cè)量的對(duì)象完成更為高質(zhì)量的測(cè)量工作，例如可通過全站儀對(duì)待測(cè)物體的坐標(biāo)等進(jìn)行測(cè)量，降低人為因素的測(cè)量誤差，且可通過其自動(dòng)化進(jìn)程，對(duì)于需要借助網(wǎng)絡(luò)通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)的技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，讓測(cè)量人員借助自動(dòng)化軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的操作處理，大幅度提升工程測(cè)量工作的工作效率，并確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與安全性，保證后續(xù)相關(guān)工作的穩(wěn)定進(jìn)行[1]。

另外，在工程測(cè)量工作中需要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息、周邊地質(zhì)信息等進(jìn)行采集，通過數(shù)字化測(cè)量技術(shù)可對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行分析，并將各項(xiàng)環(huán)境信息通過數(shù)字圖像進(jìn)行呈現(xiàn)，還可在立體圖像中對(duì)待測(cè)地點(diǎn)中的重要地形、地貌等進(jìn)行標(biāo)注，直觀展現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的差異性，還可以繪制出更為復(fù)雜也更為精準(zhǔn)的工程圖，完善各項(xiàng)所得信息，大幅度提升測(cè)量結(jié)果的全面性，為建設(shè)項(xiàng)目提供有力保障。

3 三維測(cè)繪技術(shù)的類型

3.1 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀可對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)計(jì)算，可通過掃描儀的激光輻射在物體表面創(chuàng)建幾何點(diǎn)，將各個(gè)點(diǎn)連接獲得物體表面形狀，再將獲取到的數(shù)據(jù)信息在虛擬世界中創(chuàng)建對(duì)象的數(shù)字化模型，其全過程屬于一種非接觸式檢測(cè)，可以對(duì)待測(cè)物體的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，并通過高速構(gòu)建的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，提升工作效率，同時(shí)在檢測(cè)過程中也難以受到其他因素的干擾，其測(cè)量精度較高，同時(shí)這種裝置還便于攜帶，只需要一個(gè)手提箱便可被攜帶到各個(gè)工廠及施工現(xiàn)場(chǎng)中（圖1）。另外該項(xiàng)裝置也擁有極為廣泛的應(yīng)用，不僅可以針對(duì)建筑地形圖測(cè)算，還可以對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行瑕疵檢測(cè)、醫(yī)學(xué)生物信息鑒定、刑事鑒定、電影游戲制作、逆向工程等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行運(yùn)用。

圖1 三維激光掃描儀

3.2 數(shù)字化全站儀

數(shù)字化全站儀可通過光學(xué)測(cè)距、高差測(cè)量、垂直角測(cè)量等多角度對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量，主要通過電子經(jīng)緯儀、光電測(cè)距儀與處理器構(gòu)成，而通過光電掃描替代傳統(tǒng)的光學(xué)讀盤的方式，更加可以大幅度提高測(cè)量工作的數(shù)據(jù)采集效率，還可以避免人工讀數(shù)出現(xiàn)數(shù)字誤差的問題，且數(shù)字化全站儀還是通過電子編碼盤與光柵度盤結(jié)合的讀數(shù)傳感器，擁有更高的測(cè)量精度，可擁有0.5”、1”、2”、3”、5”、7”等多個(gè)檔位。

而在電子構(gòu)件功能的角度來看，全站儀主要通過測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括電子測(cè)距、角度測(cè)量、自動(dòng)補(bǔ)償與存儲(chǔ)裝置進(jìn)行構(gòu)成，可為工作人員測(cè)量工程數(shù)據(jù)提供便利；而過程控制系統(tǒng)則是通過微處理器，按照一定的編程邏輯后將各項(xiàng)功能板塊所收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算，并將其輸出，通過各項(xiàng)外部接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)外圍數(shù)字化測(cè)繪設(shè)備的信息傳輸，例如可通過計(jì)算機(jī)生成測(cè)量圖紙等，大幅度提升測(cè)繪工作智能化水平[2]。

3.3 近景攝影測(cè)量

近景攝影測(cè)量是對(duì)物距小于300m的待測(cè)物體所進(jìn)行的攝影測(cè)量，可分為建筑攝影測(cè)量、工業(yè)攝影測(cè)量或醫(yī)學(xué)攝影測(cè)量等。而在建筑施工中，這種近景攝影測(cè)量技術(shù)可被運(yùn)用在亭臺(tái)樓閣等古建筑的等值線圖統(tǒng)計(jì)、立體與平面圖的制作等，還可以被運(yùn)用在古遺跡遺址與歷史文物的挖掘工作等對(duì)精度要求較高的現(xiàn)場(chǎng)工作。

近景攝影測(cè)量在處理方式上分為解析法與模擬法，其中解析法是最為常用的方法，可處理各類攝影機(jī)的相片，且借助計(jì)算機(jī)、繪圖儀等設(shè)備，可提供高精度的等值線圖、斷面圖及立體透視圖，或輸出工程設(shè)計(jì)人員所需要的各類參數(shù)，例如待測(cè)對(duì)象的面積、體積、周長(zhǎng)、半徑、速度等，而模擬法卻僅僅能測(cè)試物體的等值線圖與立面圖，效果較為單一。近景攝影測(cè)量的技術(shù)可通過軟件平臺(tái)對(duì)待測(cè)物體的數(shù)字影像進(jìn)行分析，是一項(xiàng)發(fā)展前景較為廣闊的新型測(cè)量技術(shù)。

4 三維測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用

4.1 城市規(guī)劃設(shè)計(jì)

近年來，隨著城市化建設(shè)規(guī)模及建設(shè)進(jìn)程的加快，當(dāng)前社會(huì)對(duì)于城市的科學(xué)規(guī)劃提出了更為嚴(yán)格的要求，不應(yīng)僅僅注重建設(shè)數(shù)量，還應(yīng)注重規(guī)劃質(zhì)量，為此就應(yīng)提升測(cè)量的實(shí)用性，例如針對(duì)老城區(qū)改造、老城區(qū)拆遷等項(xiàng)目中，就應(yīng)配合完善的工程測(cè)繪措施，為規(guī)劃設(shè)計(jì)工作提供精確度更高且更為全面性的數(shù)據(jù)支持，而在工程測(cè)量中合理運(yùn)用三維測(cè)繪技術(shù)，就可以對(duì)建筑物的基本特性、商業(yè)結(jié)構(gòu)、綠化布局、工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域等進(jìn)行更為科學(xué)的劃分，從而有效滿足當(dāng)前社會(huì)群眾對(duì)城市建設(shè)提出的要求，降低規(guī)劃成本。通過三維測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，可以通過大面積的三維激光掃描等結(jié)合RS遙感及計(jì)算機(jī)VR技術(shù)，可以為城市在虛擬空間構(gòu)建出城市模型，向設(shè)計(jì)人員呈現(xiàn)出更為多元化、更為高質(zhì)量的建設(shè)模型，促進(jìn)現(xiàn)代化城市規(guī)劃水平的提高[3]。

4.2 施工管理

在項(xiàng)目建設(shè)中，管理人員也需要立足于工程測(cè)量所提供的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行施工管理，而三維測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，可以比傳統(tǒng)的人力測(cè)量或二維測(cè)繪發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)，也擁有更為廣闊的應(yīng)用范圍，綜合效率較高。在項(xiàng)目的平行施工、順序施工等過程中應(yīng)用三維測(cè)繪技術(shù)可以有效構(gòu)建出待測(cè)物體的空間形態(tài)，降低構(gòu)件碰撞而導(dǎo)致的返工維修，例如在市政排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃中，就可以通過三維測(cè)繪技術(shù)，對(duì)管路管線繪制出空間模型，并向設(shè)計(jì)人員直觀展現(xiàn)，而項(xiàng)目管理人員也可以通過三維模型，對(duì)于碰撞、扭曲或有矛盾的管路進(jìn)行優(yōu)化，并在后續(xù)施工中實(shí)時(shí)通過空間模型進(jìn)行管理，提升施工質(zhì)量與效率，且隨著施工規(guī)模的擴(kuò)大，現(xiàn)場(chǎng)管理的難度也在不斷增加，因此三維測(cè)繪技術(shù)便可發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)，通過集中化、實(shí)時(shí)化的管理，確保各項(xiàng)施工活動(dòng)的順利進(jìn)行。

4.3 四維建模

在項(xiàng)目施工中，三維建模是可以真正確保工程測(cè)量質(zhì)量的重要技術(shù)，也是當(dāng)前信息化時(shí)代中，項(xiàng)目建設(shè)的一項(xiàng)重要工作。通過CAD作圖軟件的應(yīng)用，已經(jīng)可以在計(jì)算機(jī)中通過各項(xiàng)基礎(chǔ)信息繪制出施工圖紙，而通過VR技術(shù)的應(yīng)用，便可以實(shí)現(xiàn)更多場(chǎng)景的立體建模（圖2）。

圖2 BIM工程測(cè)量模型

例如，當(dāng)前BIM技術(shù)中便可以將建筑項(xiàng)目的整體模型進(jìn)行展現(xiàn)，并可以在三維模型的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目在各個(gè)時(shí)間段中的建設(shè)樣貌，繪制出依據(jù)不同施工階段且實(shí)時(shí)變化的四維設(shè)計(jì)圖，不僅僅可以在原本立體建模的情況下進(jìn)行建筑邊角、體積、外觀的展現(xiàn)，還可以對(duì)前一施工階段進(jìn)行考察，對(duì)當(dāng)前施工進(jìn)行管理，對(duì)下一階段施工進(jìn)行提前布局，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化的圖紙制作，提高工程項(xiàng)目質(zhì)量。

5 工程測(cè)量與三維測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展

5.1 工程測(cè)量與三維測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用案例

北京故宮是我國(guó)的標(biāo)志性建筑，由于其建設(shè)規(guī)模與歷史意義較大，因此故宮每天都在進(jìn)行著完善與創(chuàng)新。故宮也是我國(guó)的古建筑代表，在翻新與重建工作初期，很多施工設(shè)計(jì)人員礙于技術(shù)水平的限制，人工標(biāo)尺測(cè)量難以對(duì)這種古建筑出具有效的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此工作效率極低，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各項(xiàng)工程測(cè)量新技術(shù)被不斷運(yùn)用，當(dāng)前的三維測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)在故宮的建設(shè)中得到了應(yīng)用，例如背景建筑工程學(xué)院院長(zhǎng)就曾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，通過三維激光技術(shù)對(duì)故宮古建筑進(jìn)行了測(cè)繪，提供了極為準(zhǔn)確的測(cè)量精度，并將太和殿的重要文物進(jìn)行了1:1的還原采集，為后續(xù)維修工作提供了便利[4]。

另外，在我國(guó)國(guó)家體育館鳥巢的建設(shè)中，也運(yùn)用了三維測(cè)繪技術(shù)，由于這項(xiàng)建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求較高，施工難度較大，因此也運(yùn)用了數(shù)字全站儀、三維激光掃描等將建筑目標(biāo)進(jìn)行了模型建立，將復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行拆解，通過計(jì)算機(jī)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，直觀展現(xiàn)了設(shè)計(jì)途徑，為鳥巢體育館的有序施工提供了保障。

5.2 工程測(cè)量與三維測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展前景

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的工程測(cè)量已經(jīng)難以滿足當(dāng)前社會(huì)的要求，當(dāng)前社會(huì)也已經(jīng)對(duì)城市建設(shè)提出了更高的要求，這就需要相關(guān)人員積極做好技術(shù)創(chuàng)新工作，應(yīng)通過更為完善、更為準(zhǔn)確的定位測(cè)量技術(shù)，滿足城市建設(shè)的發(fā)展需求，提升工作質(zhì)量，為此就應(yīng)積極將數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)等運(yùn)用在測(cè)量技術(shù)中，例如GPS、GIS定位技術(shù)，原圖數(shù)字技術(shù)等。

GPS技術(shù)在工程測(cè)量中可通過環(huán)繞地球的衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，通過地面接收裝置進(jìn)行接收，計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的回傳時(shí)間，與電磁波的傳播速度相乘得到測(cè)試距離，而為了確保計(jì)算精度，一般應(yīng)通過4顆以上的衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取，并通過流動(dòng)接收站的經(jīng)緯度與高度的坐標(biāo)系，測(cè)算出不同的瞬時(shí)坐標(biāo)，這種方式擁有較高的測(cè)量效率，可以對(duì)20km內(nèi)的相對(duì)靜態(tài)物體進(jìn)行定位，其測(cè)試結(jié)果不超過10min，同時(shí)還有較高的觀測(cè)精度，對(duì)于1000m2的測(cè)定物體，其誤差可控制在1mm以內(nèi)，滿足多種建筑的測(cè)繪需求。

另外，當(dāng)前測(cè)繪技術(shù)中，也應(yīng)進(jìn)行原圖數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用。很多工程設(shè)計(jì)圖紙都是通過圖文結(jié)合的方式展現(xiàn)，但依舊有很多細(xì)節(jié)信息并未直觀展現(xiàn)，而通過人力尋找又會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，為此就應(yīng)通過原圖數(shù)字化技術(shù)，在三維測(cè)量中融合數(shù)字信息技術(shù)，對(duì)原圖進(jìn)行處理，將其中的各項(xiàng)信息進(jìn)行呈現(xiàn)，并直接被運(yùn)用，加強(qiáng)信息篩選的精準(zhǔn)度，提升工作效率，還可以促使原圖中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)的精度有所提升，彌補(bǔ)工程的各類漏洞，保障工程的穩(wěn)定性[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，工程測(cè)量是當(dāng)前建筑項(xiàng)目不可或缺的基礎(chǔ)工作，為此就應(yīng)做好技術(shù)的創(chuàng)新。當(dāng)前工程測(cè)量與三維測(cè)繪技術(shù)主要可通過三維激光掃描、數(shù)字化全站儀、近景攝影測(cè)量等技術(shù)進(jìn)行城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理、立體建模等工作，而隨著時(shí)代的發(fā)展，就應(yīng)在三維測(cè)繪中融合數(shù)字與信息技術(shù)，進(jìn)行GPS定位技術(shù)及原圖數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新，提升施工項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量。