利用三维激光扫描技术进行异型建筑物竣工测量

谢宏全，张 驰，尹吉祥，王 超，刘新霞

利用三维激光扫描技术进行异型建筑物竣工测量

谢宏全1，张 驰1，尹吉祥2，王 超2，刘新霞3

( 1．淮海工学院测绘工程学院，江苏连云港222005; 2．连云港市勘察测绘院有限公司，江苏连云港222000; 3．华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄050020)

一、引言

对于城市异型建筑的竣工测量，采用常规方法外业工作量较大，精度难以达到要求。随着地面三维激光扫描仪的应用，一些学者进行了相关研究，主要成果有:邢汉发等［1］证明了三维激光扫描技术在结构复杂建筑物测量中具有较好的应用前景;张平等［2］通过点云数据建立三维模型，提取并计算了建筑物建筑面积;胡章杰等［3］证明了地面三维激光扫描技术完全能够满足建设工程规划竣工核实的应用需求。本文采用徕卡C10三维激光扫描仪，以连云港市金海置业广场为研究对象，详细介绍建筑物建筑面积获取的内外业技术方法，并与常规竣工测量结果进行了对比分析。

二、工程概况与点云数据获取

1．工程概况

金海置业广场位于连云港市朝阳东路和运河路交叉口的西南角，是市区内具有异型建筑代表性的建筑物之一，底部至顶部面积在减小，形状也在变化。它由A座、B座及AB座连接部分构成。A座共27层，由13种不同形状的楼层构成; B座共13层，由6种不同形状的楼层构成; AB座连接部分共3层，由3种不同形状的楼层构成。

2．扫描技术方案设计

本研究采用徕卡C10三维激光扫描仪获取点云数据。为了达到扫描的目的与满足精度要求，结合金海置业广场周边视野环境和目标建筑物本身复杂结构的特点，采用全站仪导线方式对目标建筑物进行多站扫描。扫描线路布设成闭合导线，导线点位分布在建筑物的周边，其中A座和B座建筑顶部构造比较复杂，因此在建筑物的4个拐角处选择合适的角度设站。闭合导线的布设略图如图1所示。

图1 闭合导线的布设略图

3．控制点布设

为了与验收单位的数据作对比，在相同坐标系下获取扫描数据。采用南方公司的灵锐S82T接收机，在JSCORS系统支持下，采用RTK方式对B座建筑物东侧布设的控制点坐标进行了测量，A点平面坐标为( 45 674．293 m，16 767．051 m)，B点平面坐标为( 45 623．468 m，16 763．060 m)。

4．点云数据获取

依据导线设计略图，结合现场实际情况，在地面上做临时导线控制点标志。从A点开始架设扫描仪，按照导线方式逐站进行扫描，具体方法见文献［4—6］。在扫描20层以下建筑物时，选择高等分辨率;扫描20层以上建筑物时，选择超高分辨率。

三、建筑物面积提取

1．点云数据预处理

本次使用仪器配套的随机数据处理软件Cyclone 8．0．3。点云数据处理主要包括点云噪声处理和点云统一化处理。预处理后的点云如图2所示。

图2 去除噪声后的点云数据

2．目标建筑横切面提取

由于建筑物某些层的面积形状是相同的，因此只提取有代表性的建筑层计算面积。下面以A座第18层为例，说明横切面提取及面积计算的方法。

1)提取层模型。在Cyclone软件中用Rectangle Fence Mode命令选取A座第18层建筑物的点云数据，通过Copy Fenced to New ModelSpace功能复制模型到新的模型空间。选取菜单栏中的Top View，从选取层的顶视图可看到此层的粗略轮廓线。

2)将特征层导入CAD。预先安装CloudWorx插件，在CAD软件中会在菜单栏自动出现Cloud-Worx选项。利用CloudWorx插件可将Cyclone软件中的数据模型导入CAD中。在CAD菜单的三维视图中选择俯视，就可以出现层模型的轮廓线。

3)在CAD中绘制轮廓线。由于目标建筑物很高且楼层越往上拐角越多，因此从地面使用仰角扫描楼层的中部和顶部时，必然会出现一些拐角被遮挡因而缺少点云数据的现象。为提高提取建筑物面积的精度，本研究采用构造线的方法，弥补层模型一些规则的地方，如直角处与对称处。导入CAD中的建筑物轮廓线有缺少数据的部分，根据对称性原则，可以通过构造线方法，较好地还原建筑层的形状和特征(如图3所示)。用构造线对粗略轮廓线的所有边都进行勾画，可以得到层模型比较精细的轮廓线。再用多线段对轮廓线进行绘制(如图4所示)，可以得到最终的建筑物精细轮廓线。

图3 还原建筑层的形状和特征

图4 用多线段对轮廓线进行绘制

3．建筑面积量测

利用CAD面积测量功能，可测得已绘制图形的面积。常规测量方法得到的A座18层横截面图及其面积如图5所示。

图5 常规测量方法得到的A座18层横截面积

四、结果分析

1．点位精度对比分析

为了与常规竣工测量观测数据对比，在建筑物底座随机选择了20个角点坐标进行比较，数据计算见表1。

表1 常规测量法与激光扫描法点位坐标对比 m

由表1分析得出，激光扫描法测量坐标精度中误差为4．2 cm，满足了验收单位对竣工测量主要地物点和次要地物点点位中误差分别不应大于5 cm 和7 cm的精度要求。

2．B座建筑面积对比分析

依据横切面提取建筑物不同楼层面积方法，获取B座建筑有代表性楼层的面积，与常规测量方法的面积对比见表2。

表2 B座建筑面积对比

由表2分析得出，激光扫描法测量获取的建筑物面积与常规测量方法的面积较差较小，面积较差绝对值平均值为0．987 m2，面积较差占总面积百分比远远满足了规范中对竣工测量面积误差小于1%的要求。

3．A座与B座连接部分建筑面积对比分析

依据横切面提取建筑物不同楼层面积方法，获取A座与B座连接部分有代表性楼层的建筑面积，与常规测量方法的面积对比见表3。

表3 A座B座连接部分建筑面积对比

由表3分析可知，激光扫描法测量获取的AB座连接部分建筑物面积与常规测量方法的面积较差较小，面积较差绝对值平均值为6．296 3 m2，远远满足规范中对竣工测量面积误差小于1%的要求。

4．A座建筑面积对比分析

依据横切面提取建筑物不同楼层面积方法，获取A座有代表性楼层的建筑面积，与常规测量方法的面积对比见表4。

表4 A座建筑面积对比

由表4分析可知，激光扫描法测量获取的第4层至第19层面积与实际计算面积较差较小，远远满足规范中对竣工测量面积误差小于1%的要求。但是第20层至第27层面积与实际计算面积较差较大，不能满足规范中对竣工测量面积误差小于1%的要求。出现这种结果的原因可能有两种:一种是A座建筑物20层以上的部分大多是玻璃幕墙，这种材质影响了激光点获取数据的准确性;另一种是由于建筑物周边地形的限制，仪器至建筑物的距离比较近，扫描时仰角较大，对获取的点云数据质量有一定的影响。

五、结束语

通过试验研究证明，地面三维激光扫描技术应用于异型建筑物竣工测量中是可行的，体现出了它的优越性。但是对于反射率较低的建筑材料(如玻璃幕墙)，点云数据质量还不能满足提取建筑面积的规范要求，有待于进一步研究。由于仪器价格、技术规范等限制，此技术方法的广泛应用还需要依情况而定。

［1］ 邢汉发，高志国，吕磊．三维激光扫描技术在城市建筑竣工测量中的应用［J］．工程勘察，2014( 5) : 52-57．

［2］ 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．

［3］ 张平，黄承亮，朱清海，等．基于三维激光扫描技术的异型建筑物建筑面积竣工测量［J］．测绘与空间地理信息，2014，37( 5) : 222-224．

［4］ 张志娟，田继成，葛鲁勇，等．全站仪模式获取三维激光扫描点云数据方法研究［J］．测绘通报，2014( 9) : 87-89．

［5］ 戚万权．徕卡C10导线测量方法在大型扫描项目中的应用［J］．测绘通报，2013( 6) : 115-116．

［6］ 谢宏全，侯坤．地面三维激光扫描技术与工程应用［M］．武汉:武汉大学出版社，2013．

四川建筑职业技术学院测绘文化建设彰显专业特色

［本刊讯］2014年7月，四川建筑职业技术学院“工程测量技术”专业入选四川省高职院校省级重点专业建设项目(建设周期2014—2016)。该项目建设中特别注重文化建设，突出文化育人。通过“测绘知识抢答赛”“测绘科技创新大赛”和“测量技能大赛”3大品牌文化活动，激发学生专业学习兴趣，通过博大精深的测绘文化吸引人、熏陶人、感染人、教育人。2014年12月成功举办“科力达杯”第一届测绘知识抢答赛。测绘学生参加第五届、第六届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛获得一等奖1项、三等奖项、优秀奖4项。成功举办“中海达杯”( 2014年)、“中翰杯”( 2015年)校级测量技能大赛; 2014、2015年成功举办“中纬杯”四川省高职院校测绘技能大赛，“工程测量技术”专业学生囊括4个一等奖;在全国职业院校技能大赛高职组“科力达杯”测绘赛项中取得优异成绩，2014年获得“二等水准测量”“工程施工放样”和“1∶500数字测图”3个分赛项二等奖，2015年获得“二等水准测量”一等奖、“一级导线测量”二等奖和“1∶500数字测图”三等奖。

(本刊编辑部)

Method of Completion Measurement of Shaped Building Based on 3D Laser Scanning Technology

XIE Hongquan，ZHANG Chi，YIN Jixiang，WANG Chao，LIU Xinxia

采用常规方法对异形建筑物进行竣工测量的工作效率和精度较低。以连云港市金海置业广场为研究对象，简要介绍了激光点云数据获取的野外作业方法。在CAD和CloudWorx插件环境下，详细阐述了横切面方法获取建筑物形状方法，最后提取了具有代表性的建筑面积，并与验收数据进行了对比分析。研究结果表明，基于激光点云数据对异形建筑竣工测量的技术方法是可行的。关键词:异形建筑物;竣工测量;点云数据;建筑面积

谢宏全( 1964—)，男，博士，教授，主要从事地面三维激光扫描技术与应用研究。E-mail: ts_cheng_95@ 126．com

P258

B

0494-0911( 2015) 11-0072-04

谢宏全，张驰，尹吉祥，等．利用三维激光扫描技术进行异型建筑物竣工测量［J］．测绘通报，2015( 11) : 72-75．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0350

2015-03-11;

2015-08-31

江苏省海洋科学与技术优势学科资助