三維激光掃描技術(shù)在房產(chǎn)測量中的運(yùn)用研究

文／邱靜 梧州市測繪地理信息院 廣西梧州 543002

引言：

當(dāng)今社會(huì)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在一定程度上帶動(dòng)了城市化建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)如今城市建筑項(xiàng)目施工數(shù)量不斷增加，在從事建筑工程施工時(shí)，必須要從實(shí)際出發(fā)，切實(shí)做好房產(chǎn)測量工作。傳統(tǒng)的房產(chǎn)測量工具已經(jīng)無法滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要，很難提高測量效率和質(zhì)量，在準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性上也不能得到精確化的保障，因此在新的時(shí)代背景下，從事房產(chǎn)測量工作必須進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，從技術(shù)層面開始不斷進(jìn)行升級改善，從而全面提高房產(chǎn)測量水平，為城市化的高效有序發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。三維激光掃描技術(shù)現(xiàn)如今更是被應(yīng)用到不同的行業(yè)和領(lǐng)域，主要涉及在軍事以及公共服務(wù)等行業(yè)，在它的作用和影響下從事測量工作，可以最大確保整個(gè)房產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性，這一系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，主要是借助三維模型的構(gòu)建從而進(jìn)行測量，操作起來也更加方便快捷，可以構(gòu)建出相對完整的三維模型。在這一階段，通過和利用對整個(gè)三維模型的全面化和綜合性分析，就能進(jìn)一步提升房產(chǎn)測量工作的有效性。本文在具體研究階段主要對這一技術(shù)在整個(gè)房產(chǎn)測量中的具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.三維激光掃描技術(shù)淺析

1.1 工作原理論述

三維激光掃描儀從系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成上進(jìn)行劃分，主要包括不同的類型，分別是支架系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)以及對應(yīng)的控制系統(tǒng)。與此同時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間，也會(huì)涉及到儀器的內(nèi)部矯正以及相應(yīng)數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)等。這一過程中，從工作原理上存在的差異性進(jìn)行劃分，首先包括脈沖測距法掃描設(shè)備，在它的作用和影響下，可以很大限度實(shí)現(xiàn)對測量設(shè)備中心的精確化測量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確設(shè)備中心和目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際距離，從而保障測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。其次就是所謂的相位干涉法掃描設(shè)備，它在實(shí)際運(yùn)行期間主要是借助并且利用光學(xué)干涉技術(shù)對整個(gè)設(shè)備中心以及對應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)距離進(jìn)行精細(xì)化測量。除此之外，就是常見的三角法掃描設(shè)備，它在實(shí)際運(yùn)行中，要想實(shí)現(xiàn)高效化發(fā)展，就需要結(jié)合實(shí)際情況，從自身的特點(diǎn)出發(fā)，對結(jié)構(gòu)性光源進(jìn)行充分利用，根據(jù)這一結(jié)構(gòu)性光源以及立體相機(jī)裝置獲得的兩條不同形狀的光纖，從而形成更加真實(shí)形象的立體投影，在它的影響和支撐下進(jìn)一步對測量設(shè)備以及對應(yīng)的目標(biāo)位置進(jìn)行測量。

1.2 誤差來源

因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)本身就存在一定的特殊性和復(fù)雜性，它在具體運(yùn)行階段和很容易受到外部環(huán)境的影響和干擾，在這種背景下，使用三維激光掃描設(shè)備出現(xiàn)并且獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也會(huì)存在明顯的誤差，這些誤差常常是偶然造成的。在具體的工作實(shí)踐中，通過從實(shí)際出發(fā)，對這些誤差進(jìn)行研究和分析可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)劃分結(jié)構(gòu)主要包括以下幾方面。分別是掃描設(shè)備自身的誤差、反射面以及掃描幾何條件導(dǎo)致的誤差等，除此之外，外界環(huán)境誤差也是整個(gè)誤差形式的重要組成部分。

首先是掃描設(shè)備本身所導(dǎo)致的誤差。通過三維激光對設(shè)備進(jìn)行掃描之后可以得到較為原始且真實(shí)地觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息主要包括但目標(biāo)物的影像數(shù)據(jù)、反射強(qiáng)度以及對應(yīng)的從設(shè)備到目標(biāo)的空間信息等。需要注意的是，在具體從事測量工作時(shí)，激光光束本身的性質(zhì)以及所謂的實(shí)際分辨率都會(huì)在一定程度上影響測量的精確性和準(zhǔn)確性，角度測量誤差對整個(gè)測量結(jié)果的影響也是相對明顯的。分辨率在一定意義上可以代表設(shè)備在運(yùn)行期間，對整個(gè)需要探測的目標(biāo)可以使用的最高解析能力，它實(shí)際上直接關(guān)乎整個(gè)掃描的精確度和準(zhǔn)確度。伴隨著社會(huì)的發(fā)展，信息化技術(shù)的不斷升級優(yōu)化，使得整個(gè)設(shè)備的分辨率也呈現(xiàn)出不斷上升的發(fā)展趨勢，在這一階段所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常情況下也會(huì)變得更加密集，與此同時(shí)測量物所具備的細(xì)部特征也會(huì)呈現(xiàn)出全面化的發(fā)展趨勢。而且在這一階段，伴隨著整個(gè)掃描時(shí)間的不斷延長，有關(guān)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理也會(huì)變得更加復(fù)雜，處理難度會(huì)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。在相反的情況下，自然收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加稀疏，測量物的細(xì)部表征常常很難準(zhǔn)確的呈現(xiàn)出來，與此溶蝕整個(gè)作業(yè)時(shí)間也會(huì)不斷縮短。針對這種情況，必須從實(shí)際出發(fā)，綜合考慮多種影響因素，根據(jù)房產(chǎn)測量工程的精準(zhǔn)度要求等，對之前的分辨率進(jìn)行重新確定，使其更加科學(xué)合理。其次就是所謂的反射面以及在對幾何條件進(jìn)行掃描時(shí)產(chǎn)生的相對誤差，需要注意的是，反射面粗糙度在實(shí)際運(yùn)行期間所產(chǎn)生的誤差，實(shí)際上主要是因?yàn)檎麄€(gè)激光回?fù)苄盘柎嬖诙鄨?zhí)行的特點(diǎn)，這就意味著在設(shè)備運(yùn)行期間，每當(dāng)要發(fā)射激光光束的時(shí)候，就能同時(shí)受到多個(gè)反射回波信號，這一過程中三維激光技術(shù)常常需要使不同的技術(shù)手段對反射信號進(jìn)行精細(xì)化處理。相應(yīng)的一些設(shè)備在運(yùn)行期間也只是能夠?qū)Φ谝淮嗡祷鼗夭ㄐ盘栠M(jìn)行全方位以及深層次的處理。使用的不同的方式和手段對整個(gè)回波信號進(jìn)行處理，也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致激光焦點(diǎn)位置發(fā)生不同形式的偏差，與此同時(shí)整個(gè)反射面的不平整度也會(huì)不斷提升，彼此之間出現(xiàn)的偏差將進(jìn)一步擴(kuò)大。

最后是由于掃描幾何條件誤差可能產(chǎn)生以及造成的實(shí)際誤差。掃描幾何條件實(shí)際上指的是在參與相關(guān)工作時(shí)，使用設(shè)備在進(jìn)行掃描工作時(shí)和整個(gè)測量目標(biāo)在空間位置上呈現(xiàn)出的現(xiàn)實(shí)關(guān)系，從另一種意義上看，也就是掃描設(shè)備和掃描目標(biāo)之間的距離。掃描設(shè)備所激光發(fā)射角度以及誤掃描目標(biāo)表面法向量兩者所展示以及呈現(xiàn)出來的夾角。在具體的工作實(shí)踐中，隨著整個(gè)掃描距離的不斷增加，環(huán)境對于激光光束產(chǎn)生和造成的影響也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，與此同時(shí)整個(gè)測量的準(zhǔn)確度將逐步減弱。伴隨著具體工作實(shí)踐中整個(gè)入射角的不斷提升，與之對應(yīng)的激光光斑也會(huì)呈現(xiàn)出逐步擴(kuò)大的發(fā)展形勢。在這種環(huán)境下，點(diǎn)位精度常常是受到光板大小的制約，所以在具體的工作實(shí)踐中，隨著入射角的不斷提升，測量準(zhǔn)確度也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的減弱傾向。

2.三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 測量手段方便、快捷

隨著城市化進(jìn)程的持續(xù)加快，我國房屋建筑數(shù)量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，在新的時(shí)代背景下，建筑類型逐漸豐富，測量難度也在增加。目前建筑測量會(huì)選擇二維竣工測量圖方式進(jìn)行，需要注意的是，這種測量方式在實(shí)際運(yùn)行期間，不但可以切實(shí)提高整個(gè)建筑物在風(fēng)格以及色彩等方面的感官要素，而且和整個(gè)城市規(guī)劃管理的發(fā)展要求也呈現(xiàn)出相背離的發(fā)展趨勢。在當(dāng)前的工作實(shí)施中，建筑物里面測量通常采取的還是較為傳統(tǒng)的工藝，在具體從事相關(guān)工作時(shí)，常常需要使用到全站儀等設(shè)備，在它的作用和支撐下對準(zhǔn)建筑物的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行具體的測量點(diǎn)位。這一工作在實(shí)際運(yùn)行階段，它的數(shù)據(jù)量相對較小，而且效率也更為低下，無論是在外業(yè)繪制草圖還是內(nèi)業(yè)編輯成圖抽象之間都存在較大程度的誤差，這就意味著整個(gè)工作實(shí)踐中必須不斷對定圖進(jìn)行確認(rèn)，相應(yīng)的整個(gè)出圖時(shí)間也會(huì)不斷加長。在大多數(shù)情況下三維激光掃描技術(shù)不需要直接觸碰掃描物體，并且得到的測量數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確有效，這就意味著整個(gè)工作在實(shí)際運(yùn)行階段更加適合那些當(dāng)下逐漸復(fù)雜的建筑物體。傳統(tǒng)的測量方式難以完成，或者在測量的過程中容易出現(xiàn)差錯(cuò)。該技術(shù)可以很好的完成工作，從而為測繪人員從事各項(xiàng)工作提供更加全新的數(shù)據(jù)。

2.2 無需手繪，直接繪圖

在測量建筑立面中，激光測量通常情況下并不需要進(jìn)行畫圖操作，也就是說在這種情況下，借助該系統(tǒng)就可以獲得數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)工作在具體執(zhí)行中，可以和外業(yè)數(shù)據(jù)高效組織在一起，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)圖形的繪制。這就意味著伴隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，繪制方式相比以往變得更加高效快捷，可以在一定程度上替代人工，大大減少的工作人員的工作壓力，同時(shí)也為企業(yè)節(jié)省一大筆工作費(fèi)用，建筑測量準(zhǔn)確度沒有下降[1]。

2.3 改善無透視投影時(shí)的變形現(xiàn)象

三維掃描技術(shù)是采用投影透射的方式對相應(yīng)的照片進(jìn)行顯現(xiàn)，作為一種全新的攝影方式，它在具體的應(yīng)用實(shí)踐中可以直接獲取需要的信息，主要包括建筑物立面的距離以及對應(yīng)的角度等，在精密度方面將實(shí)現(xiàn)全新的升級，而且整個(gè)點(diǎn)位影像通常情況下也會(huì)變得更加清晰，可以在很大程度上防止和避免出現(xiàn)和傳統(tǒng)投影一樣的變形問題[2]。

2.4 不受自然天氣的影響

傳統(tǒng)的測量技術(shù)不僅對工作人員的能力有很大要求，同時(shí)還對自然環(huán)境有要求。惡劣的自然環(huán)境會(huì)破壞測量的準(zhǔn)確度。三維激光掃描技術(shù)的設(shè)備部分也得到了一定的優(yōu)化和完善，和傳統(tǒng)的設(shè)備形式相比，它在技術(shù)層面得到了相應(yīng)的創(chuàng)新，已經(jīng)具備較高的防水性能，與此同時(shí)從整個(gè)設(shè)備等使用優(yōu)勢上看，它在遠(yuǎn)程操作上也變得更加方便快捷，也就是說即使在不適應(yīng)環(huán)境下，系統(tǒng)依舊可以正常工作，全面測量。這大大提高的工作人員的工作感官。伴隨著整個(gè)工程竣工之后驗(yàn)收工作的不斷開展和深入，也可以給工作人員提供更為良好的工作環(huán)境[3]。

3.測量數(shù)據(jù)處理

3.1 掃描測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理

周圍建筑在具體的建設(shè)施工中，容易受到環(huán)境因素的影響和制約，像是玻璃投射以及灌木叢遮擋都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)出較大的噪音，在此基礎(chǔ)上就會(huì)進(jìn)一步影響到整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使其在真實(shí)性以及全面性上無法得到客觀真實(shí)地保障，從而直接使得點(diǎn)云質(zhì)量變差。因此，在當(dāng)前的工作實(shí)踐中，必須綜合考慮多種影響因素，對點(diǎn)云的進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ピ胩幚?。點(diǎn)云配準(zhǔn)。根據(jù)采集數(shù)據(jù)在方式上存在的差異，對數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)的時(shí)候需要從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況選擇對應(yīng)的方式。主要包括后視定向配準(zhǔn)和站站配準(zhǔn)兩者不同的模式。前者在進(jìn)行配準(zhǔn)工作時(shí)主要采用的是靶標(biāo)進(jìn)行與之相關(guān)聯(lián)的配準(zhǔn)工作，需要結(jié)合建筑物施工的現(xiàn)實(shí)情況，將整個(gè)建筑物在 RieGL Riscan 軟件中進(jìn)行適宜的模塊配準(zhǔn)，這一過程中自然也需要輸入一些測站坐標(biāo)和對應(yīng)的靶標(biāo)坐標(biāo)，從某種程度上看，它正在成為確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)全局坐標(biāo)的前提和基礎(chǔ)。整個(gè)工作在運(yùn)行期間主要采取四個(gè)同名點(diǎn)，而且主要選擇和使用的相對尖銳的物體角，在配準(zhǔn)時(shí)有時(shí)候也需要人工配合，因此這就要求在一定的條件以及環(huán)境下，可以采用人工交互的方式進(jìn)行移動(dòng)測站，這一階段主要需要將那些還沒能配準(zhǔn)的測站移動(dòng)到已經(jīng)配準(zhǔn)的相關(guān)位置，從而為之后進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)工作提供方便和便利。只有真正將誤差控制在理想的范圍內(nèi)，才可以為下一站的配準(zhǔn)工作提供必要的支撐和保障[4]。

3.2 建筑物面積測算

目前建筑物測量作業(yè)中常用的切片法參與并且實(shí)施面積測算，從整個(gè)工作運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)情況來看，它主要是需要提取特征線，在此基礎(chǔ)上真正設(shè)計(jì)出相對科學(xué)合理的切片厚度，從而對配準(zhǔn)的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)的各個(gè)水平面進(jìn)行相應(yīng)的切面處理，這樣就可以計(jì)算并且得到各個(gè)樓層的實(shí)際建筑面積。在具體實(shí)施和運(yùn)行期間，通過輸出相應(yīng)的繪圖文件，使其可以導(dǎo)入到對應(yīng)的軟件中，在數(shù)據(jù)工具的編輯狀態(tài)和模式下就能參與和實(shí)施建筑物線畫圖的繪制，從而生成并且得到建筑物本身的面積[5]。

3.3 立面圖繪制

立面圖繪制工作難度大關(guān)鍵在于細(xì)節(jié)問題容易出錯(cuò)。建筑物后期的竣工驗(yàn)收是否合格需要依靠立面圖進(jìn)行判斷。點(diǎn)云數(shù)據(jù)引導(dǎo)立面圖形成繪制，在三維掃描技術(shù)的加持下，立面圖繪制更為清晰，而且對整個(gè)建筑物的現(xiàn)場還原程度也在不斷優(yōu)化和提高[6]。

4.應(yīng)用實(shí)例

4.1 在城市地下空間測量中的應(yīng)用

在房產(chǎn)建設(shè)中，地下空間常常會(huì)被開發(fā)商設(shè)計(jì)并且改造成停車場。使用傳統(tǒng)的測量方式對地下空間進(jìn)行相應(yīng)的測量，往往會(huì)存在一些不可忽視的問題。城市地下空間通常情況下，整個(gè)光照的條件比較差，這就意味著在工作的具體運(yùn)行期間，常常需要人工打燈從而實(shí)現(xiàn)對測量工作的輔助，這一階段就很容易出現(xiàn)漏洞等情況。地下空間控制網(wǎng)在布設(shè)的時(shí)候本身就存在較大的難度，大多數(shù)情況下需要從地表引入一定的控制點(diǎn)，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)對控制網(wǎng)的布設(shè)。但是需要注意的是，導(dǎo)線長短本身就不相等，地下空間也會(huì)存在較多的異常因素，這就直接導(dǎo)致整個(gè)測量的精確度和準(zhǔn)確度無法得到切實(shí)的保障。傳統(tǒng)的測量需要經(jīng)過導(dǎo)線等多次測量，在工作效率上相對規(guī)地下，生成的也是二維數(shù)據(jù)。再加上地下空間本身就存在一定的特殊性和復(fù)雜性，所以在具體的施工運(yùn)行階段，常常需要考慮到較多的建筑結(jié)構(gòu)，這就意味著整個(gè)工作中對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性也會(huì)產(chǎn)生并且?guī)硪欢ǖ挠绊慬7]。長此以往，就會(huì)改變整個(gè)地下空間結(jié)構(gòu)，對地下面積的計(jì)算也會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面作用。地下空間測量具體實(shí)施過程如下：在地下空間的出入口附近對所有的控制點(diǎn)進(jìn)行測量，在此基礎(chǔ)上要始終確保整個(gè)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)從數(shù)量上看不少于三組，之后再根據(jù)行進(jìn)路線對其進(jìn)行全方位的掃描，這一過程中必須確保相鄰測距站在比例上能夠存在較高的重合度。對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)也需要利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行拼接，之后再通過成圖軟件在點(diǎn)云整體模型上提取更為關(guān)鍵的信息，最后實(shí)現(xiàn)對整個(gè)數(shù)據(jù)的高效化處理，編制出對應(yīng)的數(shù)據(jù)成果。和傳統(tǒng)的測量方式進(jìn)行比較分析，三維激光掃描技術(shù)對光照條件的要求相對較低，而且在黑暗的地下空間測量也會(huì)存在更大的技術(shù)優(yōu)勢[8]。

4.2 在房產(chǎn)建設(shè)中土方測量的應(yīng)用

利用三維激光掃描技術(shù)對房產(chǎn)項(xiàng)目的場地進(jìn)行點(diǎn)云掃描以及對應(yīng)的土方量計(jì)算，從整體上看，存在比較明顯的技術(shù)優(yōu)勢，它的測量距離相對較長，而且在測量期間，速度也更加高效，可以最大限度確保整個(gè)測量結(jié)果的精確性和準(zhǔn)確性，在不接觸的情況下就實(shí)現(xiàn)廣泛的測量。通過利用相關(guān)設(shè)備對土方進(jìn)行大面積的掃描，也能在較短的時(shí)間內(nèi)獲得大量的三維坐標(biāo)信息，從而更加深刻的了解以及把握整個(gè)被測量物體表面起伏的實(shí)際狀態(tài)，從而進(jìn)一步提高土方測量的精確度好準(zhǔn)確性。這在房產(chǎn)施工初期的土方測量作業(yè)中可以進(jìn)一步縮短工期，因此具備更大的推廣意義[9]。

結(jié)語：

三維激光技術(shù)在現(xiàn)階段的應(yīng)用中，和傳統(tǒng)的測量方式相比，存在明顯的技術(shù)優(yōu)勢，它在一定程度上改善了傳統(tǒng)測量技術(shù)的不足，可以全面提升作業(yè)效率，與此同時(shí)，在信息化技術(shù)的支撐下還可以生成三維立體圖像，從而確保測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，因此該技術(shù)在房產(chǎn)測量中的應(yīng)用是非常重要且必要的。伴隨著我姑三維激光技術(shù)在社會(huì)上的高速推廣和應(yīng)用，該技術(shù)在未來房產(chǎn)建設(shè)中也會(huì)起到關(guān)鍵性作用，真正促進(jìn)房產(chǎn)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。