三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測繪中的應(yīng)用

譚睿

（貴陽市測繪院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

三維激光掃描是一種可以迅速獲得地物高精度三維信息的全新技術(shù)，相比以往的數(shù)字測量方式，其可以更加全面、迅速的獲得捕捉目標(biāo)三新信息的特征，另外具有諸多優(yōu)勢(shì)，比如高精度高、高效率、成本低等。在建筑工程領(lǐng)域當(dāng)中，竣工測量是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工序，主要是在完成建筑施工后，全方位測量建筑物，包含了樓體層高、建筑物和四周關(guān)系、四周規(guī)劃道路等。許多地區(qū)的竣工測量都已經(jīng)將CAD 平面測量作為主要方式，其可以給管理人員提供有價(jià)值的信息數(shù)據(jù)，但在城市建筑持續(xù)發(fā)展下，這樣的方式已經(jīng)滿足不了竣工測量的要求。本文結(jié)合建筑規(guī)劃竣工測繪中運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)的具體狀況進(jìn)行分析，具體如下。

1 建筑規(guī)劃竣工測繪概述

建筑規(guī)劃中的竣工測繪工作包含了很多方面的方面，比如測量建筑物高度、繪制1:500 的地形圖和測量室內(nèi)地坪等。根據(jù)過去的規(guī)劃測繪模式來分析，通常都是利用水準(zhǔn)儀配合全站儀等設(shè)備完成的，當(dāng)中涉及了測量二維平面，部分地區(qū)還添加了測量面積、樓高等數(shù)據(jù)，但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，促使城市規(guī)劃管理的內(nèi)容越來越多，以往的二維竣工圖已無法將建筑物的具體形狀、建筑物和周圍物、地間的聯(lián)系等全方位展現(xiàn)出來，無法精準(zhǔn)提供建筑物風(fēng)格等關(guān)鍵因素，難以切實(shí)有效符合規(guī)劃管理的具體需求[1]。

2 三維激光掃描概述

三維激光掃描是一項(xiàng)全自動(dòng)掃描的技術(shù)，精準(zhǔn)性高，可以在較短的時(shí)間里獲取物體表面的影像數(shù)據(jù)以及連續(xù)三維坐標(biāo)，對(duì)比，此技術(shù)也被叫做實(shí)景復(fù)制技術(shù)，其是測繪領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域的一次革新。相比GPS 測量技術(shù)和全站儀，三維激光掃描技術(shù)具備很高的信息獲取率，并且采樣點(diǎn)數(shù)多，能夠全方位避免以往的測量點(diǎn)信息應(yīng)力分析中出現(xiàn)的局限性、片面性等不足，具體來講，就是可以更好的處理以點(diǎn)帶面分析的問題。對(duì)比近景攝影測量技術(shù)，雖說此項(xiàng)技術(shù)無法創(chuàng)建持續(xù)三維模型，但是它具有很高的作業(yè)效率，信息處理操作也十分簡便，能夠在短時(shí)間內(nèi)建立測繪的三維模型，具有十分廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。因?yàn)榧す鈷呙柚械娜S數(shù)字化測量技術(shù)主要是基于以往的測量技術(shù)演變而成的，通過激光掃描儀，能夠高效的獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將外業(yè)活動(dòng)轉(zhuǎn)變成內(nèi)業(yè)活動(dòng)，大大縮短了外業(yè)工作時(shí)間，除此之外，還可以更好的降低工作強(qiáng)度，有助于持續(xù)有效的提升工作效率。

3 建筑竣工測量存在的常見問題

因?yàn)楝F(xiàn)代建筑具有復(fù)雜性特點(diǎn)，所以導(dǎo)致竣工測量工作極易發(fā)生各種問題，具體如下：①一些控制點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)測量作業(yè)。導(dǎo)致出現(xiàn)這一問題的原因主要是，在城市建設(shè)期間會(huì)發(fā)生的道路修建、人為破壞等情況，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞控制點(diǎn)位置的問題，所以促使竣工測量的難度大大增加。②測量技術(shù)無法順應(yīng)社會(huì)發(fā)展，難以滿足現(xiàn)代建筑竣工測量的具體要求。以往的竣工測量技術(shù)主要是把棱鏡當(dāng)成輔助工具，但是許多建筑物結(jié)構(gòu)無法符合棱鏡的安裝位置，在這樣的狀況下測量人員沒有辦法全方位開展竣工測量作業(yè)，導(dǎo)致測量結(jié)果科學(xué)性不強(qiáng)。③以往的測量方式在完成工作之后要在圖紙上繪制出測量結(jié)果，但圖紙只能呈現(xiàn)出二維機(jī)構(gòu)，無法讓相關(guān)人員更加直觀的了解建筑物的基礎(chǔ)情況，尤其是復(fù)雜性較高的建筑物。④現(xiàn)階段，很多建筑物都不再是單一固定的形狀，時(shí)常出現(xiàn)一些不規(guī)則的形狀，所以導(dǎo)致竣工測量作業(yè)變得越來越困難，對(duì)于以往的測量技術(shù)一次只能獲得單個(gè)參數(shù)來說，需測量很多次才可以完成對(duì)形狀不規(guī)則建筑物的測量，使測量工作變得很復(fù)雜并增加了作業(yè)量。

4 三維激光掃描技術(shù)

4.1 儀器及軟件

項(xiàng)目部分的重點(diǎn)工作人員使用RIEGLVZ-400 型號(hào)的激光掃描儀，其是一種具備極高精度的儀器。在進(jìn)行掃描工作的時(shí)候，通常控制掃描距離大約在30~160m，掃描范圍是垂直角度100°乘以水平角度360°。當(dāng)前我國新研發(fā)出一項(xiàng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)綜合處理平臺(tái)技術(shù)，也叫做點(diǎn)云處理軟件。此項(xiàng)技術(shù)主要是對(duì)于海量級(jí)別的城市，利用點(diǎn)云適應(yīng)簡化方法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)創(chuàng)建三維激光點(diǎn)云多分辨率結(jié)構(gòu)，外存點(diǎn)云存取體系，結(jié)合GPU 硬件，能夠全方位推進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)還可以達(dá)到還量點(diǎn)云的動(dòng)態(tài)化渲染，實(shí)現(xiàn)高效的索引機(jī)構(gòu)技術(shù)。高效性的搜索引擎和點(diǎn)云管理等技術(shù)，可以積極有效的改善海量點(diǎn)云技術(shù)在使用期間出現(xiàn)的各種問題，比如三維精細(xì)建模、自適應(yīng)抽稀以及高精度自動(dòng)配準(zhǔn)等等。通過與點(diǎn)云模型的測圖要素智能化提取、三維空間量測等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，能夠?qū)浖夹g(shù)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，并且完成我們國家常用測圖技術(shù)的集成與銜接[2]。

4.2 優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)可以測量所有環(huán)境下的建筑物體，不管復(fù)雜性多高，都可以不直接接觸被測建筑，迅速獲得建筑物體的三維坐標(biāo)信息，信息具有很高的精準(zhǔn)度和密度，此項(xiàng)技術(shù)具備的優(yōu)勢(shì)能夠給現(xiàn)代城市的建筑竣工測量作業(yè)提供強(qiáng)有力的支持和保障，切實(shí)有效的提升了后續(xù)建筑竣工測量的效果和質(zhì)量。

4.3 原理

三維激光掃描系統(tǒng)是通過便攜電腦、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀和軟件平臺(tái)等部分組成，另外還包含了部分附件設(shè)備。當(dāng)中掃描儀是一種主要的傳感器，在實(shí)際掃描建筑物的時(shí)候，首先應(yīng)利用控制平臺(tái)的激光脈沖二極管發(fā)射信號(hào)，然后再通過的轉(zhuǎn)棱鏡的發(fā)射到目標(biāo)上，探測器收到反射信號(hào)之后在記錄器上進(jìn)行記錄，再轉(zhuǎn)換處理獲取的信息數(shù)據(jù)，完成處理工作之后輸送至控制平臺(tái)中完成建模。在具體操作過程中，一般在設(shè)置的控制點(diǎn)放置掃描儀，后視點(diǎn)放置靶標(biāo)球，對(duì)附近建筑獲取的點(diǎn)云具備和控制點(diǎn)坐標(biāo)相應(yīng)的距離、方位角以及高低角進(jìn)行掃描，然后再通過坐標(biāo)換算獲取點(diǎn)云所有控制點(diǎn)和掃描點(diǎn)坐標(biāo)系相應(yīng)的三維空間坐標(biāo)。

4.4 流程

在實(shí)際進(jìn)行三維激光掃描測量的過程中，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)下面的流程開展：首先是控制測量。把控制點(diǎn)當(dāng)成三維激光的掃描點(diǎn)，另外在此基礎(chǔ)上配置掃描獲得的信息數(shù)據(jù)，從而保證系信息都可以被安排到相對(duì)的坐標(biāo)系下。其次是野外激光掃描。在實(shí)際進(jìn)行野外激光掃描的過程中需要設(shè)計(jì)好方案，以此防止遭到信號(hào)被障礙物遮的情況，防止發(fā)生掃描漏洞。最后是處理竣工數(shù)據(jù)。此項(xiàng)工作主要是把獲得的信息數(shù)通過云數(shù)據(jù)進(jìn)行云數(shù)據(jù)、創(chuàng)建模型、點(diǎn)云配準(zhǔn)，然后對(duì)平面圖的測繪、距離和面積等信息進(jìn)行計(jì)算。三維激光掃描技術(shù)不但具備數(shù)量大、測量快速等優(yōu)勢(shì)，還具有良好的可靠性與真實(shí)性，尤其是在對(duì)不規(guī)則與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物進(jìn)行測量的時(shí)候，其能夠體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)，全方位提升了測量工作的質(zhì)量和效率。

4.5 三維激光掃描方案

由于各個(gè)地區(qū)都存在相應(yīng)的差異性，在選取掃描方案的時(shí)候需要結(jié)合實(shí)際狀況進(jìn)行分析，應(yīng)和已經(jīng)控制好的點(diǎn)分布特征狀況進(jìn)行全方位結(jié)合。首先是坐標(biāo)系掃描法。靶標(biāo)和掃描儀在掃描期間都能夠直接放在設(shè)計(jì)好的控制點(diǎn)位置，有助于減少掃描程序，提升工作效率，內(nèi)業(yè)利用已經(jīng)獲得的信息數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云的方向與位置進(jìn)行確定。其次是碎部控制掃描法。這樣方式的掃描儀在掃描期間不需要放置在設(shè)計(jì)好的控制點(diǎn)位置，外業(yè)僅需使用基礎(chǔ)測量方法獲得云中的有關(guān)信息，從而獲得三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確位置。內(nèi)業(yè)能夠直接使用各個(gè)測站間的同名碎部控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)信息的定向以及額配準(zhǔn)。最后是靶標(biāo)配準(zhǔn)法。在掃描期間不需要放置在設(shè)計(jì)好的控制點(diǎn)位置，利用兩個(gè)臨近測站超過四個(gè)的靶標(biāo)，對(duì)兩個(gè)臨近測站之間的位置關(guān)系進(jìn)行確定，在具體操作期間僅需獲取較少的碎部控制點(diǎn)。內(nèi)業(yè)利用同名靶標(biāo)球?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)匹配相鄰站點(diǎn)云，能夠?qū)φw點(diǎn)云的方向進(jìn)行直接確定。利用測量測區(qū)內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)的弱感以及強(qiáng)感的方式，能夠在測量區(qū)周圍觀察到具體的控制點(diǎn)狀況、測量區(qū)的實(shí)際范圍，能夠結(jié)合以上各種內(nèi)容與因素，建立時(shí)效性較強(qiáng)的方案，從而更好的達(dá)到簡化操作流程、減少外出作業(yè)時(shí)間、點(diǎn)云數(shù)據(jù)全面等需求[3]。

4.6 數(shù)據(jù)處理和成果制作

數(shù)據(jù)處理與成果制作包含以下兩個(gè)方面。

（1）處理初步點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過商業(yè)軟件技術(shù)，根據(jù)有關(guān)流程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在具體操作期間，為了更好的符合二維成圖的具體設(shè)計(jì)需求，獲取全新的設(shè)計(jì)觀念，需要對(duì)點(diǎn)云信息實(shí)施抽稀以及合并處理。抽稀以及合并軟件是我國研發(fā)出的一種全新技術(shù)，是現(xiàn)階段使用范圍比較廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，并且獲得了十分理想的運(yùn)用效果。

（2）制作成果資料。結(jié)合已經(jīng)繪制好的二維測區(qū)地形圖，針對(duì)建筑規(guī)劃的規(guī)劃審批材料、許可證附圖等內(nèi)容，設(shè)計(jì)出具備實(shí)效性的竣工測繪總平面圖、1:500 套紅線地形圖以及竣工測量規(guī)劃復(fù)核圖等，能夠?qū)ㄖこ碳捌渲車木唧w狀況進(jìn)行確定，以此給后續(xù)有關(guān)工作的順利進(jìn)行提供良好的條件。

5 三維激光掃描在建筑竣工測量中的應(yīng)用

5.1 獲取外業(yè)數(shù)據(jù)

要想獲得外業(yè)工作的信息數(shù)據(jù)，就必須要架設(shè)測站，但是因?yàn)楸粶y建筑物有有很多的被測面，所以，需要架設(shè)好幾個(gè)測站才可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)。但是把好幾個(gè)測站的信息數(shù)據(jù)整個(gè)到一個(gè)坐標(biāo)系里，需要臨近的兩個(gè)測站重合位置的特定反射參照點(diǎn)，把它當(dāng)成拼接臨近測站信息數(shù)據(jù)的依據(jù)。通常狀況下，需要大概六個(gè)這種特定的反射參照點(diǎn)，而測量測站位置的控制點(diǎn)坐標(biāo)需要利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（Real-time kinematic,RTK)來實(shí)現(xiàn)。

5.2 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括以下兩個(gè)步驟。

（1）修補(bǔ)點(diǎn)云和去噪。在進(jìn)行三維激光掃描時(shí)獲得的初始點(diǎn)云信息可能存有很多的空洞以及噪音，導(dǎo)致初始點(diǎn)云質(zhì)量不理想，所有需要對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)和去噪處理。通常先消除很大的噪音，然后再進(jìn)行充分去噪同時(shí)進(jìn)行交互式修補(bǔ)。

（2）信息配準(zhǔn)。因?yàn)椴杉畔?shù)據(jù)的方法存在一定差異，所以信息配準(zhǔn)工作也不一樣，主要包括后視定向配準(zhǔn)與站站間配準(zhǔn)兩個(gè)。當(dāng)中站站間配準(zhǔn)需要先進(jìn)行粗配，可以通過同名特征點(diǎn)的方式進(jìn)行，此方式適合用于同名特征顯著的點(diǎn)，所以最少需要4 個(gè)同名點(diǎn)，并且需要盡可能選取尖銳的地物點(diǎn)。另外是人工交互式移動(dòng)測站，將沒有配準(zhǔn)的測站移至已經(jīng)配準(zhǔn)測站的相對(duì)位置，其標(biāo)準(zhǔn)為自動(dòng)精度匹配。粗配完成之后通過軟件進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)精配，從而提升配準(zhǔn)的精確度，只有控制誤差不超過0.01m 才可以進(jìn)行下一站配準(zhǔn)。而后視定向配準(zhǔn)主要是對(duì)初始測站通過靶標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，在后視定向配準(zhǔn)模塊中輸入靶標(biāo)與測站的坐標(biāo)后進(jìn)行配準(zhǔn)，對(duì)整個(gè)點(diǎn)云信息的全局坐標(biāo)進(jìn)行明確[4]。

5.3 建模

三維建模主要是把大量離散的三維空間點(diǎn)轉(zhuǎn)換為集中的三維模型的過程，以此將被掃描物體的空間形態(tài)精準(zhǔn)的體現(xiàn)出來。通常使用擬合的形式構(gòu)建三維模型，擬合點(diǎn)云的時(shí)候應(yīng)選取固定位置的點(diǎn)云信息，然后再進(jìn)行切割、延展以及對(duì)齊，最后對(duì)單元模型的材質(zhì)和顏色進(jìn)行合理編輯，以此加強(qiáng)模型的三維效果。

5.4 繪制立面圖

在驗(yàn)收建筑物的過程中，對(duì)其竣工立面圖進(jìn)行充分核對(duì)是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的內(nèi)容，對(duì)比竣工立面圖和施工企業(yè)提供的立面圖，可以清楚的觀察到立面圖的具體尺寸與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是否相符。先使用軟件投影點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型的主立面，然后再嘗試進(jìn)行量測，將繪圖交換文件進(jìn)行輸出，導(dǎo)入CAD 軟件，利用規(guī)劃管理工程模板和數(shù)碼相機(jī)獲得的高清圖片，詳細(xì)繪制立面線劃圖。在建筑竣工測量中運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)的根本目的主要是創(chuàng)建目標(biāo)物體的三維模型同時(shí)獲取斷面圖，落實(shí)好測量和計(jì)算面積等工作[5]。

6 結(jié)語

根據(jù)以上論述可知，隨著各種科技的快速發(fā)展，出現(xiàn)了三維激光掃描這種全新的技術(shù)，給諸多行業(yè)的建設(shè)和發(fā)展?fàn)I造了有利的條件。三維激光掃描技術(shù)突破了以往測量技術(shù)的限制，很好的減少了施工時(shí)間，提升了作業(yè)效率，能夠給建筑單位節(jié)約很多財(cái)力、物力以及人力。因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)具有良好的特性，所以其在建筑竣工測量中應(yīng)用能夠獲得顯著的優(yōu)勢(shì)。為了保證三維激光掃描技術(shù)在建筑規(guī)劃測繪行業(yè)中的廣泛運(yùn)用，促進(jìn)建筑領(lǐng)域的穩(wěn)定發(fā)展，有關(guān)單位應(yīng)積極學(xué)習(xí)和引進(jìn)國內(nèi)外各種先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)對(duì)其開展更加深層次的研究。