规划验收测量中三维激光技术应用研究

蔡开明

摘 要：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。本文结合具体案例探讨了三维激光技术应用于建筑竣工测量的详细技术流程。

关键词：三维激光 测量 城市 建筑竣工测量

中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0056-02

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。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。

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是一种新型全自動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。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。

1 工程概况及作业流程

1.1 工程概况

某建筑工程为集商业写字楼、五星级酒店等于一体的现代商务贸易中心，由于其现代几何式立面结构，采用全站仪设站方式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，这给传统规划验收测量带来了挑战。

1.2 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1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。

2 三维竣工测量数据采集

2.1 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》（CJJT 73-2010）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8km。一级控制网起算点选用工程附近的海口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海口市平面坐标系统和高程系统。

2.2 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500m。依据建筑物异形的特点，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。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，对建筑的扫描采用精扫模式。其中一栋楼共扫描27站，其中10站在裙楼上进行扫描，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。另外一栋楼共扫描30站，其中9站在裙楼上进行扫描，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。

3 三维竣工测量数据处理

3.1 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。（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RieGLRiscan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：一是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点，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；二是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0.01m以内，方可进行下一站配准。

3.2 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。

3.3 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。首先利用软件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。

采用三维激光扫描仪进行建筑物竣工测量，其最终目的之一是建立目标物的三维模型并可在模型上提取断面图，进行量测、面积计算等。

4 结果分析

项目采用地面三维激光扫描仪结合全站仪观测，以其中一栋楼的第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，与全站仪观测数对比。三维激光扫描仪测量坐标精度中误差为3.4cm，满足了测量中规范对竣工测量主要地物点和次要地物点点位中误差不应大于5cm和7cm的精度要求。

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该楼第9层外围面积为3134.0m2（未扣除中空面积），三维激光扫描仪计算面积为3133.1m2，面积相差甚小。三维激光扫描仪测量获取建筑面积与实际计算面积较差较小，远远满足了规范中对竣工测量面积误差小于1%的要求。

5 讨论

本文对三维竣工测量作业流程进行了详细描述，并以某异形建筑为工程实例，验证了三维激光扫描技术在城市建筑竣工测量中的可行性。与传统的竣工测量方法相比，基于地面Li DAR的三维竣工方法有如下优势。

（1）地面三维激光扫描技术以其自身的技术特点，能够获取一些传统全站仪难以采集到的异形建筑物角点，因此其在结构复杂、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。（2）三维竣工测量的表现效果和技术含量更高，传统竣工测量只需测量平面和少量的高程数据，制作二维竣工图； 而三维竣工测量采集的点云数据不仅能制作二维竣工图，还能根据需要生产三维模型，技术含量高，效果真实，减少竣工环节不同部门的专业限制。（3）三维竣工测量数据成果的应用范围更广，不仅能满足常规规划验收需求，其生成的三维模型还能作为系统的模型数据，如小区物业管理系统、智慧社区系统等。

参考文献

[1] 张燕.三维激光测量系统的设计与实现[J].城市勘测，2015，4（2）：104-108.

[2] 赵丽梅.城市竣工测量新技术研究[J].科技创新导报，2016，3（1）：13-15.