基于地面LiDAR的三维竣工测量方法研究

高志国，李长辉

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

1 引言

广州新白云国际机场位于广州市北部，白云区人和镇和花都区花东镇交界处，一期总投资逾200亿人民币，二期投资约75亿人民币，是我国首个按国际枢纽机场标准进行规划设计的超大型枢纽机场，也是目前国内规模最大、功能最先进、现代化程度最高的国际机场，是全国三大枢纽机场之一。机场占地面积为15 km2，其中新机场一期航站楼(包括航站楼主楼、指挥塔部分、东一、东二指廊、西一、西二指廊及连接楼部分)面积有40万m2，二期(包括航站楼附属建筑物、东三、西三指廊及连接楼等)面积有28万m2，总计建筑物验收面积为68万m2，如图1所示。

图1 广州新白云国际机场航站楼设计效果图

竣工测量是城市建设工程必不可缺的重要环节之一，其主要工作是准确测定竣工建筑物的形状、平面位置、高度尺寸以及与周围建筑物、规划道路、用地红线的定界关系，其目的是为了编制工程竣工图表、决算，对实际完成的各项工程进行的一次全面量测工作［1］。它为建设工程规划监督验收提供准确的技术指标，为进一步提高规划管理水平，增强城市规划的科学性提供依据。三维竣工测量是在传统竣工测量基础之上，增加三维量测和模型制作，实现三维竣工图的同步建立，以达到三维城市模型 (Three－Dimension City Model，3DCM)实时、准确和动态更新的目的［1］。

地面LiDAR技术是一种快速获取空间三维信息的新技术手段，使得空间数据的获取从传统的单点数据采集向连续的密集型自动数据获取技术转变［2］，其在竣工测量中主要技术优势表现为:①突破数据单点采集模式;②全方位、高精度、快速化、自动化、精细化测量;③成果效果真实、立体感强;④数据量大、产品丰富;⑤拓展竣工测量成果数据应用范围等。为此，本文提出了基于地面Li-DAR的建筑物三维竣工测量新模式，并在广州新白云国际机场航站楼三维竣工测量应用中取得了较好效果，为该技术在三维竣工测量领域的广泛推广应用打下基础。

2 三维竣工测量技术方案

鉴于广州新白云国际机场航站楼项目面积大，精度要求高，设计独特，结构复杂，对于外业施测及成果图制作，项目组都做出了精心策划，综合应用激光测距仪、全站仪、激光LiDAR等多种仪器设备对机场航站楼及附属设施进行竣工测量。主要内容包括:平面控制测量、高程控制测量、标靶布测、外业扫描测量、核对竣工图、内业数据处理、三维模型制作、建筑面积计算、平面位置关系图绘制、立面图绘制、竣工地形图绘制、成果资料汇编等。

根据本项目技术设计书的要求，在测图区域布设与机场控制网系统相一致的E级GPS控制网点10点，以机场首级C级控制点作为起算，保证和机场的E级施工控制网一致，E级控制网高程以机场周边的基岩水准点为起算，联测二等水准高程。数据处理及精度统计采用JAVAD随机软件Pinnacle分别对GPS网基线进行解算，将解算出来的基线用同济大学GPS后处理软件TGPPS for Windows进行GPS平差计算。

由于机场限制区域较多，传统测量方法无法完成竣工数据采集，地面LiDAR的主动、非接触测量的优势有效解决了该技术问题。采用先进的VZ－400型激光扫描仪，测程在长距离模式下达到 600m，测距精度5mm/100m，数据采集通过无标靶定向模式和单站后视定向法相结合方法，在数据处理过程中通过相邻测站公共区域同名特征点进行测站拼接，因此在实际作业过程中严格保证相邻测站的重叠区域测量;单站后视定向是通过在图根点上布设测站和标靶后视点，扫描过程中精确测定标靶中心在扫描坐标系和广州坐标系下的坐标，为后续坐标转换提供准确的参数。因此布设标靶，测定其坐标的过程中药严格确保标靶位置固定不变，确保坐标转换精度，技术流程如图2所示。

图2 地面LiDAR竣工测量技术流程

3 数据处理和成果分析

3.1 扫描数据预处理

由于原始点云数据存在大量噪声，数据空洞等，造成数据质量差，不能满足高精度测量的要求，因此在处理数据前必须先进行预处理，剔除噪声数据，修补数据空洞。点云数据去噪、补洞后，即可进行数据配准作业。作业过程中对部分测站采用的控制点定向，因此直接采用控制点配准法进行配准，该方法自动匹配控制点无需人为手动配准，节约时间，配准精度高。部分区域无法测量控制点，均采用公共区域同名点配准法，需要在相邻测站公共区域手动寻找至少4对同名点进行配准，在作业过程中要保证配准精度，时间成本增加。粗配结束后，采用ICP算法自动精配，提高配准精度。最后通过标靶坐标匹配将所有测站数据配准到控制网坐标系下。

3.2 特征提取及成果制作

航站楼及附属设施是建筑结构复杂而且不规则的建筑实体，直接从点云数据中提取全部特征点、线比较困难，为了减少后续处理数据量，提高数据处理效率，需要从点云数据中提取部分特征数据，包括:建筑骨架线、建筑立面轮廓、建筑门、窗细节特征及分层切片等。制作相应的成果资料，构建建筑三维模型

(1)特征点、线及地形数据提取

对点云数据进行分层，通过设计合适的切割方向和切片厚度实现点云数据的层次划分，提取出适合规划建筑物面积计算的切片;切片法可以采用Riscan Pro或者采用广州市城市规划勘测设计研究院研发的Laserscanner软件进行。

建筑骨架线及立面轮廓特征提取是整个三维模型重建精度指标的关键因素，建筑门、窗细节提取则是绘制立面图的关键。图3展示了特征提取的主要流程。

图3 特征提取流程

激光点云中提取的地形数据是制作竣工测量地形图及竣工平面位置关系图的关键，首先根据地形精度要求对点云数据进行精简，以提高数据处理的效率，然后根据具体投影高程面选择无透视水平投影，提取地形特征，生成地形数据，根据地形精度要求判别数据精度。

(2)建筑面积计算

根据分层切片获取的航站楼轮廓特征范围线数据导入到广州市基础地理信息测绘信息化平台软件进行整理。在数据工程编辑状态下绘制建筑物线划图，计算建筑物面积如图4所示。

图4 建筑物面积计算略图

(3)建筑立面图、平面图及竣工地形图制作

采用平面投影绘图方式，通过自主研发的点云数据处理软件的平面无透视投影方法，进行主平面投影，将投影数据输出DXF格式导入广州市基础地理信息测绘信息化平台软件编辑平台进行描绘建筑立面图、制作平面图位置关系图及竣工地形图，如图5所示。

图5 正射投影点云数据及描绘航站楼立面图

(4)3D模型制作及纹理映射

广州新白云国际机场航站楼建筑物属于广州市地标性建筑，建筑以钢结构为主，建筑结构复杂。为更好比对建筑物报建与竣工后的相符性，根据提取的特征骨架线及轮廓特征信息建立高精度三维模型，结合外业采集的影像信息，进行三维纹理映射，如图6所示。

图6 航站楼三维模型

3.3 结果分析

为了检校成果精度，以传统测量方式采集点位、边长、高程与本次成果进行比较，经实地对建筑物边长分段及总长检查，分段检查最大较差为 2 cm，总长检查最大较差为－6 cm。其精度高于技术设计要求。在内业数字化成图过程中，基于广州市规划基础信息化测绘平台软件的互通性，很好地完成了面积计算图，平、立面关系图及竣工地形图的制作，作业数据完全利用外业测量成果，点位正确，数据精度无损。

4 结论及建议

广州新白云国际机场旅客航站楼及附属建筑竣工验收测量，是广州市城市规划勘测设计研究院在建筑物规划验收测量项目上首次采用地面LiDAR技术的新尝试、新探索，为该技术在竣工测量上应用的可行性进行了进一步的探索，同时也对广州市城市规划勘测设计研究院技术力量又有了新的提高，硬软件的配合更加融洽，弥补了该院对于大型建筑验收测量，特别是局域性高精度测量的不足。

通过本项目的实践，采用先进的地面LiDAR测量技术对超大型、多功能、结构复杂、新颖、别致的建筑物的建筑竣工测量，有效利用了地面LiDAR技术速度快、自动化、精度高等特性，实现了对城市规划管理的精细化。通过对成果数据精度分析，证明了该技术应用于竣工验收测量的可行性。同时地面LiDAR技术也存在不足:如数据量大、处理效率不高等问题，将会是后期数据处理研究的重点。

［1］ 卢丹丹，吴熙，王厚之等.三维竣工测量的研究与应用［J］.城市勘测，2010(6):47～50.

［2］ 高志国.基于TerraScan软件的点云数据滤波处理研究［J］.城市勘测，2013(3):66～69.

［3］ 高志国.地面三维激光扫描数据处理及建模研究［D］.西安:长安大学，2010.

［4］ 王峰，林鸿，李长辉.地面三维激光扫描技术在城市测绘中的应用［J］.测绘通报，2012(5):47～49.

［5］ 苗兰芳.点模型的表面几何建模和绘制［D］.杭州:浙江大学，2005.

［6］ 张启福.地面三维激光扫描仪性能测试方法研究［D］.郑州:解放军信息工程大学，2012.

［7］ 高志国.海量点云数据滤波处理方法研究［J］.测绘工程，2013(1):35～38.

［8］ 王峰，陈焕然，程效军.基于地面激光扫描仪的建筑数字化方法［J］.测绘通报，2011(6):39～42.

［9］ 胡章杰，薛梅.基于地面三维激光扫描的三维竣工规划核实技术研究［J］.城市勘测，2013(1):15～20.