三維激光掃描在異形建筑竣工測量中的應(yīng)用

孫 灝

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引 言

三維激光掃描是一種高精度立體掃描技術(shù),通過向目標對象發(fā)射激光脈沖信號,進行等間距數(shù)據(jù)采集,獲取高密度、高分辨率的空間點云信息,快速建立起目標場景的三維點云模型,具有速度快、無接觸、精度高等特點[1-2]。隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展進程的加快,一些造型獨特的異形建筑逐漸成了城市的新地標,采用傳統(tǒng)的測量方法對其進行竣工測量效率低、困難大,而且由于其外立面存在造型復(fù)雜、空間多變等特點,人眼觀測時對建筑物的特征點難以全局判斷,存在很大的局限性[3-5],因此迫切需要對作業(yè)方法進行改進。為此一些學(xué)者進行了相關(guān)的研究,張平等[6]研究了三維激光掃描技術(shù)進行建筑面積竣工測量,邢漢發(fā)等[7]研究了三維激光掃描在大規(guī)模、復(fù)雜建筑物測量中的應(yīng)用,徐良等[8]研究了從點云中提取建筑物的外輪廓線和表面棱線的方法,徐炳前[9]驗證了三維激光掃描可以滿足建筑物竣工驗收的精度要求。

本文以南京市溧水區(qū)市民之家異形建筑竣工測量為研究對象,采用徠卡ScanStation P40三維激光掃描儀進行竣工測量,分別從控制測量、點云掃描、點云處理等方面設(shè)計作業(yè)流程,構(gòu)建出場景的三維點云模型,最后利用全站儀實測異形建筑特征點與模型坐標對比,進行點云模型精度評定,結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)具有效率高、精度可靠、數(shù)據(jù)完整等優(yōu)勢,研究可為異形建筑的竣工測量提供一定參考價值。

1 工程概況及作業(yè)流程

南京市溧水區(qū)市民之家坐落于溧水區(qū)秦淮大道以東、天生橋大道以南,是一個由大量鋼結(jié)構(gòu)和大面積玻璃幕墻組成的異形建筑物綜合體,集規(guī)劃展示、政務(wù)服務(wù)、文娛活動、科普教育等“一站式”綜合服務(wù)于一體。建筑外立面采用的是梅花花瓣造型的穿孔鋁板,色調(diào)上使用了溧水特色的胭脂河主色調(diào),建筑內(nèi)部采用兩個“L”形實體圍合一個玻璃中庭,建筑占地21 200 m2,總建筑面積約72 600 m2,建筑整體寓含了山水共融的設(shè)計理念,是南京市十大新地標之一。由于建筑外立面材料的使用和復(fù)雜造型的設(shè)計,采用傳統(tǒng)的測量方法難以全面、準確地測繪出建筑物全貌,因此項目采用了地面三維激光掃描的作業(yè)方法進行建筑竣工測量工作。

為了達到掃描目的和精度要求,結(jié)合建筑物自身的結(jié)構(gòu)特點和周邊實地情況,按照《城市測量規(guī)范》布設(shè)導(dǎo)線進入現(xiàn)場,導(dǎo)線點均勻分布于建筑物四周。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境,掃描儀共設(shè)站掃描12站,測站之間掃描共同的標靶進行點云數(shù)據(jù)拼接,且掃描時在導(dǎo)線點上架設(shè)標靶對其掃描,利用導(dǎo)線平差后的坐標實現(xiàn)點云坐標的轉(zhuǎn)換。作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 掃描作業(yè)流程

2 點云數(shù)據(jù)處理

多視點云配準的方法主要有兩種:基于特征的配準方法和ICP算法?；谔卣鞯呐錅史椒ㄊ窃谙噜弮山M點云重疊區(qū)域中選擇同名特征點,根據(jù)點云之間的坐標關(guān)系計算其變換矩陣來實現(xiàn)配準,而ICP算法是基于最小二乘法的迭代優(yōu)化過程,通過算法尋找不同站間點云同名點,再對同名點坐標進行不斷的迭代,直至計算出點云之間的最優(yōu)變換矩陣。本案例中由于建筑物形狀不規(guī)則,難以確定點云的初始姿態(tài),且玻璃幕墻會造成激光的穿透和折射,因此本案例選擇的是基于特征的配準方法,相鄰兩站掃描相同的標靶對點云進行配準。

基于特征的配準方法具體思想為:假設(shè)存在一定重疊度的相鄰點云中,其同名區(qū)域的同名特征點分別為pi=(xi,yi,zi)和pj=(xj,yj,zj),以其中一站點云為指定坐標系,由剛體變換可知點云之間的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為:

(1)

式中,(φ,ω,κ)為旋轉(zhuǎn)參數(shù),(Δx,Δy,Δz)為平移參數(shù),λ為尺度變換參數(shù)。由公式(1)可知,至少需要3對同名點可求解出這7個參數(shù),當同名點數(shù)量大于等于3個時,可按最小二乘法求得7個參數(shù)的最或然值。

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境,共布設(shè)掃描站12站,掃描站之間利用公共標靶進行拼接,相鄰站點云之間拼接的內(nèi)符合精度最大為±3 mm。而在掃描過程中同時掃描了地面控制點,利用控制點坐標對拼接后的點云進行坐標糾正,坐標糾正精度最大為±2 cm,配準后的三維點云模型如圖2所示。

圖2 三維點云模型

3 結(jié)果分析

3.1 點云誤差分析

三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)誤差主要包括測角和測距誤差,主要為:

(2)

式中,md為儀器的測距誤差,mβ為儀器的測角中誤差,S為目標對象與測站點之間的水平距離。徠卡ScanStation P40掃描儀的標稱測距精度為±1.2 mm+1×10-6,測角精度為8″,根據(jù)公式(2)可得儀器測量誤差約為±4 mm,而標靶獲取精度m2=±2 mm,本次點云配準的最大誤差m3=±3 mm。由誤差傳播定律可知點云中誤差為:

(3)

將數(shù)據(jù)代入公式(3),可計算得出點位中誤差約為±5.4 mm。

對于三維點云模型而言,需要利用控制測量的點位坐標對其進行坐標糾正,因此點云配準的控制點精度也是影響成果精度的重要因素,而配準時控制點和點云會根據(jù)其相對關(guān)系進行互相糾正,在本案例中控制點進行糾正的最大誤差為1.4 cm,最小誤差為0.2 cm,結(jié)合掃描點位中誤差,糾正后的點云誤差約為±2 cm,這完全符合竣工測量點位中誤差±5 cm的精度要求。

3.2 精度比較

為了比較掃描儀與傳統(tǒng)測量方式在異形建筑物竣工測量中的成果精度,本案例中在控制測量布設(shè)導(dǎo)線的同時利用全站儀對建筑物的一些明顯特征點進行了測量,并將全站儀測量結(jié)果與掃描儀的成果進行了比較,坐標精度對比如表1所示。

表1 掃描儀與全站儀精度對比表(單位/m)

由表1數(shù)據(jù)可知,掃描儀測量坐標與全站儀測量坐標的點位最大誤差為4.6 cm,最小誤差僅為0.5 cm,計算其點位平均誤差為2.5 cm,所以掃描儀的總體精度與全站儀相當,而掃描儀在采集時排除了人為觀測造成的偶然誤差,可以認為在部分區(qū)域測量精度優(yōu)于全站儀,因此掃描儀測量精度可以滿足規(guī)劃驗收測量的精度要求。

4 結(jié) 語

三維激光掃描儀具有掃描速度快、獲取的數(shù)據(jù)量大、精度高等優(yōu)勢,本文利用地面三維激光掃描儀對異形建筑物進行竣工測量,設(shè)計了一套規(guī)范可行的作業(yè)流程,結(jié)果表明三維掃描技術(shù)可以滿足規(guī)劃驗收測量的精度要求,且在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物測量中具有明顯的優(yōu)勢。然而,利用掃描儀進行成果制作時,在點云去噪、特征線提取等方面的自動化程度仍然不夠,需要進行更進一步的研究。