三维激光扫描技术在城市建筑竣工测量中的应用研究

吕磊 ，邢汉发，王叙泉

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

1 引 言

竣工测量(规划验收)是城市建筑工程的一个重要环节，其是在建筑工程竣工后，对建筑物实体进行的全方位的测量工作［1，2］。内容包括建筑物的层高和总楼高、测量并标注建筑物与其所在地块的用地红线坐标、建筑物周边的规划道路以及四周关系［3，4］。

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是一种新型全自动高精度立体扫描技术，可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据［5，6］。与传统测量方法相比，地面三维激光扫描技术采集数据不需要接触目标，能快速、准确地获取目标体数据，具有密度高、精度高等特点，适合大面积或者表面复杂的物体测量及其物体局部细节测量，计算目标表面、体积、断面、截面、等值线等，为测绘人员突破传统测量技术提供了一种全新的数据获取手段［7，8］。

目前，城市竣工测量主要为二维平面测量，这些数据为规划管理提供了基础数据。然而随着城市化进程的进一步加速，异形建筑越来越多，城市规划管理越来越复杂，二维竣工测量图不能提供建筑物风格、色调等要素，已经不能满足规划管理的要求。随着三维激光扫描技术在国内外各个领域的广泛应用，将其引入到竣工测量中是一条可行途径［9～11］。目前地面激光扫描技术在城市建筑竣工测量中的应用实例较少，本文设计了三维竣工测量技术方案，探索地面激光扫描仪测量技术在竣工测量领域的可行性。

2 工程概况及作业流程

2.1 工程概况

广州市南丰国际会展中心坐落于广州市海珠区琶洲岛，包括南丰汇环球展贸中心和南丰国际会展中心共两幢大楼，集商业写字楼、五星级酒店等于一体的现代商务贸易中心，验收总建筑面积为28.3 万m2，如图1所示。

图1 南丰国际会展中心建筑图

会展中心外形独特时尚，层层交错横纵;塔楼设计又宛如随意凌乱堆放的方块叠在一起，每个方块即每一层都是错乱而有序的叠搭;裙楼设计很具有倾斜线条美，或是向外倾斜，或是向内倾斜。由于其现代几何式立面结构，采用全站仪设站方式较难以准确测量出裙楼倾斜面各楼层的平面位置，与交错重叠的塔楼各楼层平面位置以及在裙楼不同倾斜角之间和塔楼各“方块”之间进深不一的众多凹角，这给我们的传统规划验收测量带来了挑战。

2.2 作业流程

鉴于上述对会展中心异形建筑物竣工验收的分析，项目组应用三维激光扫描技术对其进行竣工验收测量。其作业流程如图2所示，主要内容包括:控制测量、外业扫描测量、内业数据处理、竣工图核对、三维建模、建筑面积计算、平立面图绘制、竣工地形图绘制等。

图2 基于三维激光扫描技术的竣工测量流程图

3 三维竣工测量数据采集

3.1 控制测量

为满足建筑工程规划验收测量精度的要求，本工程以《卫星定位城市测量技术规范》为依据，布设一级静态GPS 控制网，共测设静态控制点4 个，范围涵盖两幢大楼，并联测四等水准8 km(如图3所示)。一级控制网起算点选用工程附近广州市三等以上平面控制点，为提升整网精度，起算点范围涵盖4 个一级控制点，高程控制以附近二等基岩水准控制点作为起算点。采用一级GPS 控制网和四等水准不仅可以保证规划验收控制测量的精度，还能将验收测量成果接入广州市平面坐标系统和高程系统。

图3 一级GPS 控制网图

3.2 激光扫描测量数据采集

本工程采用RIEGL VZ－400 三维激光扫描仪，其反射距离为500 m。依据会展中心建筑物异形的特点，本次三维激光扫描主要采用了以下两种方式:①单站绝对定向模式:三维激光扫描测站与靶标(类似全站仪的棱镜)布设在图根点上，并设置扫描相应参数，执行扫描。②无靶标相对定向:采用无靶标方式，直接对目标建筑物进行扫描。

扫描站点的坐标量测利用“广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统(GZCORS)”和广州市似大地水准面，对三维激光扫描仪中内置的GPS 定位功能进行开发，使得三维激光扫描仪在扫描测量建筑物的同时测量扫描站的RTK 坐标，从而提高了外业作业速度和内业配准效率。

工程实施过程中，对两幢楼的扫描采用精扫模式。南丰汇环球展贸中心共扫描27 站，其中10 站为在裙楼上进行扫描，共采用标靶9 个，贴于建筑物幕墙或者特征比较明显的电线杆等物体上。南丰国际会展中心共扫描30 站，其中9 站为在裙楼上进行扫描，共采用标靶10 个，同时用全站仪对标靶和测站点坐标进行测定。其中南丰国际会展中心采集站点如图4所示。

图4 野外数据采集站点示意图

4 三维竣工测量数据处理

4.1 扫描测量数据预处理

对建筑物扫描后，需要进行点云数据的预处理，包括点云去噪与修补和点云配准等工作。

(1)点云去噪与修补

获取的原始点云数据，会由于灌木丛遮挡，自身遮挡，玻璃透射等原因造成了大量的空洞和噪音，致使原始点云质量较差，需要进行去噪、补洞等处理。

首先在地面三维激光扫描仪的配套软件Riscan Pro 中去除偏差较大的噪音后，后在Geomagic Studio中进一步去噪与交互式操作补洞。

(2)点云数据配准

根据外业数据采集的两种方式，数据配准工作同样采用与之相对应的两种模式。

①后视定向配准

对于起始测站采用靶标进行配准，输入测站坐标和靶标坐标，采用RieGL Riscan 中后视定向配准模块进行配准，从而确定整个点云数据的全局坐标。

②站站间配准

首先要进行粗配，可以采用两种方法:a、选择同名特征点的方法进行配准，该方法适用于同名点特征明显的，至少要选择4 个同名点，同名点应尽量选择房屋角、线杆顶等尖锐地物点;b、根据人工交互式移动测站，使未配准站移动到已配准站的对应位置，匹配精度以能够执行自动精确匹配为准。

粗配结束，采用软件自动精确精配，提高配准精度，配准误差在0.01 m以内，方可进行下一站配准。如图5所示为南丰国际会展中心各测站数据配准之后的建筑物点云数据图。

图5 南丰国际会展中心各站数据配准之后的建筑物点云数据图

4.2 建筑物面积测算

(1)采用切片法提取特征线

设计合适的切片厚度对配准之后的三维点云数据的每一层进行X－Y 水平面切面处理，通过提取特征点得到建筑物每一楼层特征线，从而计算该楼层建筑面积。

(2)建筑面积计算

采用切片法提取得到的每一楼层特征线，并通过输出绘图交换文件(dxf 格式文件)，将其导入CAD 软件，在数据工程编辑状态下绘制建筑物线划图，从而计算建筑物面积。

4.3 立面图绘制

根据建筑物竣工验收要求，核对建筑物竣工立面图是一项重要工作，本项目根据扫描点云数据绘制的建筑物竣工立面图与建设单位提供的竣工建筑物立面图进行对比，可清晰了解其立面图的实际尺寸，与现场符合情况等。本工程的立面图绘制流程如图6所示，采用项目组自主研发软件Laserscanner，对点云数据三维模型进行主立面投影，并采用三维量测模式进行量测，输出绘图交换dxf 文件，将其导入CAD 软件中，在规划管理工程模板下，并根据地面LiDAR 部件高分辨率数码相机所获得的高清晰图片，进行立面线划图绘制。

图6 立面图绘制流程图

采用三维激光扫描仪进行建筑物竣工测量，其中最终产品之一的是建立目标物的三维模型，如图7所示，并可在模型上提取断面图，进行量测、面积计算等。根据点云经过建模处理之后绘制的塔楼竣工立面图，如图8所示。

图7 南丰国际会展中心塔楼点云图

图8 根据点云绘制的竣工立面图

5 结果分析

以南丰国际中心第9 层为例(如图9所示)，下图为经过X－Y 水平面切面处理截留的点云平面图，并与全站仪观测数据进行比对(红色线为全站仪观测)。

图9 南丰国际会展中心第9 层点云平面图

项目采用地面三维激光扫描仪结合全站仪观测，还以南丰国际会展中心第9 层为例，对该点云数据进行再次滤波去噪处理，并将其连接成线，并与全站仪观测数对比，各角点坐标比较如表1所示。

由于两幢楼塔楼各楼层中心均有中空，采用全站仪观测计算南丰国际会展中心第9 层外围面积为3 134.0 km2(未扣除中空面积)，三维激光扫描仪计算面积为3 133.1 km2，面积相差甚小。并根据前面建筑物面积测算方法计算各层面积如表2所示:

表1 全站仪与三维激光扫描测量点位坐标对比表

表2 全站仪与三维激光扫描测量各楼层面积对比表

6 总 结

城市化进程中的异形建筑增多、规划管理复杂化，传统二维竣工测量已不能满足规划管理的要求。三维激光扫描仪以其自身的技术特点，能够获取一些全站仪难以采集到的建筑物角点，本文以广州市会展中心某异形建筑为工程实例，来验证三维激光扫描技术在城市建筑竣工测量中的可行性。首先对三维竣工测量作业流程进行了总体阐述，继而介绍了三维竣工测量数据采集中的控制测量和激光扫描测量数据采集流程与技术，最后对三维竣工测量数据处理中的扫描测量数据预处理、建筑物面积测算和立面图绘制三个关键过程进行了分析研究。三维竣工测量数据与全站仪观测数据进行比对分析，点位和面积结果相差甚少，能够满足建筑竣工测量需求。综上所述，本文认为三维激光扫描技术在结构复杂、超大规模建筑物验收测量中具有较好的应用价值，应该在特定的规划验收中推广使用。

［1］周心力．高层建筑竣工测量的组织与施测［J］．城市勘测，2007(3):93 ～94．

［2］李杰．建筑物竣工测量数据处理及质量控制［J］．测绘通报，2004(7):26 ～28．

［3］刘忠卿，秦学秀，任海英．北京市建设项目竣工测量数据库研究与建立［J］．北京测绘，2007(4):39 ～42．

［4］钟玉林，龚少平．城市建筑竣工测量的质量控制［J］．城市勘测，2007(2):91 ～93．

［5］徐进军，余明辉，郑炎兵．地面三维激光扫描仪应用综述［J］．工程勘察，2008(12):31 ～34．

［6］周华伟，朱大明，瞿华蓥．三维激光扫描技术与GIS 在古建筑保护中的应用［J］．工程勘察，2011，39(6):73 ～77．

［7］刘燕萍，程效军，贾东峰．基于三维激光扫描的隧道收敛分析［J］．工程勘察，2013(3):74 ～77．

［8］王星杰．三维激光扫描仪在道路竣工测量中的应用［J］．北京测绘，2012(4):21 ～25．

［9］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．

［10］孟志义．激光扫描技术在规划竣工测量中的应用［J］．北京测绘，2012(1):41 ～45．

［11］刘春，杨伟．三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模［J］．工程勘察，2006(4):49 ～53．