三维激光扫描仪在规划核实验收中的应用

魏祎华

摘  要：规划核实是建设单位竣工验收的重要环节，上海市于2018年4月开始实施规划核实“两图融合”工作，地形测绘的重要性尤为突出，广大测绘工作者一直在研究如何提升地形测绘的工作效率。三维激光扫描给测绘领域带来一场技术革命，它可以快速地获取高精度扫描数据，并对扫描物体进行完整建模，不愧为“实景复制技术”。将全站式扫描仪应用到地形测绘中，探索应用方法与理论，将具有一定的现实意义。

关键词：规划核实;全站式扫描仪;地形测绘

中图分类号： P228     文献标志码：A

0 引言

规划核实是建设单位进行竣工验收中的重要环节，地形测绘又是其中一个重要的组成部分;上海于2018年4月开始对全市的规划核实项目要求进行“两图融合”，为城市地形图更新入库提供数据。

三维激光扫描仪是一种以高效、高精度、快速获取点云矢量坐标的仪器渐渐地出现在很多测量工作中，其工作原理是利用扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接受的时间差来计算目标距离，再结合水平方向和垂直方向的距离和角度值，即可计算出目标点的三维球心坐标。这些大量具有矢量性质的点组成点云存储在机器中[1]。

Trimble SX10集测量、影像和高速3D扫描于一体，SX10单一仪器同时捕获高精度的全站仪测量数据和真正的高速3D扫描影像，提供的性能比以往任何时候都更高级，在600 m测程范围内，能够同时保持每秒高达26 600个点的高精度数据。Trimble Business Center（TBC）可以把Trimble SX10采集的点云数据完全整合成适合内业处理的多种格式，见表1。

1 規划核实中地形测绘的内容及要求

地形测绘的具体实测方法主要参照DG/TJ08—86《1∶500  1∶1000  1∶2000数字地形测量规范》中“6.3 野外地形测量方法”章节的要求执行。

测区实行全野外数字化实测方式实测地形，用极坐标法测定的建筑物、构筑物和围墙等主要地物特征点数占其总点数的比例应大于75%。

地形测绘严格按照规范要求进行外业测绘，需实测的地物应做到应采尽采，不能遗漏，做到“跑到、看到、量到”。

新建的住宅小区、企事业单位等范围内的全部房屋及附属设施需实测。建筑物凹凸部分须按实际情况进行表示，不得舍去。

建筑物的附属部分主要是指裙房、檐廊、架空通廊、底层阳台（无论落地与否）、 门廊、柱廊、天井、台阶、斜台、室外楼梯、建筑物下通道、地下建筑物天窗以及通风口等，附属部分不应作为判别建筑物结构的对象。建筑物附属部分均应实测，按实际情况进行表示，不得舍去。

建筑物的上下坡道实测范围，双向坡道和单向坡道都用建筑物的上下坡道边线绘示，范围线需闭合。双向坡道的画法可参照台阶，可利用符号部件插入的方式完成。

同一结构不同层次应尽量分开绘示。如果难以区分的，可依其主要的或大部分的层数注记，零星局部不易划分或划分后难以注记的，可并入主体。

临时的活动房屋、施工单位搭建的临时工棚（房）及材料棚等可免测。

围墙宽度按实测按实绘示，且应保持主干线连续完整。

起境界作用的栅栏、篱笆、活树篱笆、铁丝网等应实测，且应保持主干线连续完整。

建设项目的内部道路（包括绿化内的道路）均需实测。

地形测绘点位精度要求：重要地物点（建构筑物和起境界作用的围墙、栅栏等）相对周围控制点中误差不超过5 cm，困难区域，适当放宽0.5倍。一般地物点（道路、井盖、路灯等）相对周边控制点的中误差不超过10 cm，困难地区，规定放宽 0.5 倍。

2 三维激光扫描仪外业采集数据

地形测绘中，使用三维激光扫描仪大致分为4个流程：控制测量、标靶布设、架站选择和数据采集。

2.1 控制测量

地面三维扫描因控制点具体可分为绝对扫描和相对扫描2种情况，如果在扫描过程中，赋予标靶绝对坐标，那么就能够得到建筑物地方坐标系点云数据。要达到这种目的，就需要布设一定数量的控制点在建筑物周围，控制点布置必须遵循利用方便原则，点位精度要比点云精度高，控制点之间要相互通视[2]。

控制点可以采用RTK平面测量方式布设，按精度划分为二级、三级、图根和碎部。技术要求应符合表2的规定。

当流动站连续显示固定解后，RTK平面控制测量就可以开始观测，每个控制点需要单独进行二次初始化，每次初始化需要有两组观测数据，每组数据至少采集10个历元数，4组数据满足平面点位较差不大于2 cm时，方可选择其中一组数据或平均值。

在同一测区，RTK平面控制测量时布点至少有3点，所有的测量成果都要有至少10%的重复抽样检查，并且保证检查点数3点以上，重复抽样检查可在隔日或收测时进行，检测需要重新进行初始化，初次采集数据与重复抽样采集点位较差应小于3 cm。

使用RTK平面控制测量成果前需要对每个测量成果进行边长或角度检核，技术要求应符合表3的规定。

2.2 布设标靶

布设标靶是整个扫描过程中的关键环节，它的目的是使扫描所获取的点云数据可以统一到绝对坐标系中。同时，标靶布设要考虑网形情况，主要是因为标靶布设精度会影响点云的拼接精度。测站和标靶要保证通视，标靶离测站不能太远，一般控制在50 m内;公共标靶和测站在布设时，不要在一条直线上，这样是为了保障坐标转换精度。

标靶应在扫描范围内均匀布置，且高低错落;相邻两测站的公共标靶个数不少于3个;标靶可使用地物特征点、扫描仪配套标靶以及标靶纸等。

2.3 测站选择

测站一般根据测区情况及范围进行选择，扫描仪应设置在视野开阔、地面稳定的区域，设站数量要尽量减少;相邻测站间至少有3个标靶可以同时存在;测站选择一般要避免有人员或车辆在扫描仪视野中穿过。

2.4 采集数据

SX10三维激光扫描仪数据采集过程类似于全站仪，可以分为5个步骤：对中整平、安装仪器、设置参数、标靶测量、数据采集和换站等6个步骤。

扫描分辨率在30 m内不宜低于6 mm，扫描范围应覆盖整个扫描对象，待扫描对象复杂、通视困难时应增加测站，相邻测站有效点云数据重叠率不宜低于30%，困难地区不宜低于15%。

设有标靶的测站宜对标靶进行识别或精扫，点云扫描完成后，宜进行影像采集，全部完成后进行下一站扫描;如果架设标靶，应在全部扫描完成后再撤走标靶。

2.5 外业数据检查

外业数据检查是三维扫描仪在作业过程中很重要的一环。每站完成扫描工作后，宜立即进行数据检查。数据检查的内容主要有5个方面。1）数据是否已存储完毕并保存完毕。2）检查是否可以打开灰度图。3）结合地物、地貌，检查扫描区域是否有遗漏。4）需要标靶扫描市，检查标靶是否已扫描。5）检查是否存在噪点或噪点是否影响使用。

如果存在检查不通过的情况，可以选择区域进行局部重测，两次扫描的点云可以自动拼接。当然，如果区域特别大，建议重新采集数据。

3 三维激光扫描仪数据处理

3.1 转换坐标

在外业扫描时，因为测区条件的原因，无法使用绝对坐标系，获得的点云数据只是点与点之间的相对位置关系，碰到这种情况就需要进行坐标转换。转换坐标主要通过公共点（公共标靶）来求转换参数，这类模型一般采用布尔莎7参数。

3.2 拼接点云

拼接点云是将多站获得的扫描数据拼接到一个整体的过程，点云拼接的方法有基于靶球拼接方式或者采用公共点云拼接。在实际作业中，各站测量所获得的扫描数据都是在绝对坐标系下，这样就不用拼接，直接把各站数据导入天宝自带的TBC，即可形成一个完整的整体。如果各站在相对坐标系得到扫描数据，那就要基于标靶或者公共点云拼接。采用公共点云拼接时，两站间的点云重叠率不得少于30%，困难地区不得少于15%。

3.3 成果输出

Trimble SX10 全站式扫描仪采集的点云数据可以直接导入TBC软件，保存为清华三维EPS软件可以直接导入的格式文件。

4 应用实例

上海某区有一处新建厂房委托我司进行规划核实，基地面积25 289 m2，新建10层工业厂房1栋，建筑面积33 302 m2;新建门卫1栋。该公司使用Trimble SX10 全站式扫描仪结合实际，从而探索扫描仪在规划核实地形测绘中应用的可能性;同时将扫描数据与部分全站仪测量数据、建筑物边长量测数据进行比对分析，从而获得全站式三维激光扫描技术提取建筑物点、线精度。

4.1 作业步骤

根据上述作业流程进行外业数据扫描。1）控制点布设。2）控制点校核。3）架站（可自由设站，需要满足后方交会测绘要求）。4）测站设置（设置扫描精度、分辨率、扫描时间）。5）开始扫描。6）重新架站（重复以上步骤3）～5），直至完成全部扫描工作）。

4.2 精度比對

通过表4、表5中的数据对比分析，可以发现使用全站式三维激光扫描仪扫描地形，根据点云数据绘制地形图点位中误差在2 cm左右，边长中误差在1 cm左右，这2项指标都完全满足上海市“两图融合”地形测绘的精度要求。

5 结论

在这个工程实例中，可以获得以下4点。1）三维激光扫描仪能缩短工时，节省技术人员，实例中的项目常规作业方法需要4名技术人员1天到1天半的时间完成全部作业;而使用激光三维扫描仪只需要3 h，而且1位技术人员带1～2名技术辅助人员就可以完成。2）三维激光扫描仪基本零返工，它可以将现场搬回办公室，随时都可以对数据进行检测。3）Trimble SX10 全站式扫描仪可以自动拍摄照片，照片叠加点云，能够清晰地反映实地。4）Trimble SX10 全站式扫描仪提取的建筑物特征点完全可以满足地形图点位精度要求。

高精度测量和高速度扫描结合使用，能够快速记录土地所有权测量的所有要素，包括地界位置、建筑物等。回到办公室，技术人员可以直观地看到工地全景和周围元素，包括复杂结构，也可以从扫描数据和影像中容易地了解测区，无需进行工地重访。

测量数据、高密度扫描数据和多重分辨率影像独有和即时的组合，可以确保捕获到最微小的细节，三维激光扫描技术势必会得到更加广泛的应用。

参考文献

[1]田江博.三维激光扫描仪在日照测量中的应用[J].北京测绘，2020，34（1）：61-64.

[2]胡玉祥，李勇，张洪德，等.地面三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].城市勘测，2019（3）：87-91.