三维激光扫描仪在建筑规划验收中的应用

朱龙军，周隽

(重庆市勘测院，重庆 401121)

1 引 言

规划验收测量是针对规划验收而进行的一种核实测量。规划验收测量需要核实的内容相对较多，以重庆市建筑工程规划验收地形测量为例，主要包括以下内容：建筑条件点的验测；建筑的±0层标高、屋顶标高、建筑制高点标高验测；验收建筑所在地块及周边 30 m范围内现状地形。

按照《城市测量规范》要求，在进行规划验收测量时，平面控制点的等级不应低于三级，高程为图根高程，在控制点稀少地区，三级导线可同级附合一次；条件点应在三级点上测量2次，点位较差应在 ±50 mm内，成果取平均值，条件许可时也采用双极坐标法、网络RTK法测量；建筑物标高采用电磁波测距三角高程测量法时，应变换仪器高或觇标高测两次，两次测量的较差在 ±100 mm之内时，成果取用平均值。规划验收测量的精度要求为涉及规划条件的地物点相对邻近图根点的点位中误差不应大于 50 mm，地物点之间的间距中误差不应大于 70 mm；其他地物点相对邻近图根点的点位中误差不应大于 70 mm，地物点之间的间距中误差不应大于 100 mm。地物点的高程中误差不应大于 40 mm。

传统测量方式进行建筑规划验收测量存在以下难点：建筑间距较小，且受现场施工影响，控制点布设困难，控制点的边长难以达到三级要求；条件点需双极坐标法测量且点位较差在 ±50 mm内，在两个三级控制点上同时观测一个条件点，现场实施难度大；规划验收测量需核实内容多，外业测量时间较长。

采用基于视觉跟踪拼接和自由设站的三维激光扫描技术快速获取项目的点云数据，然后对原始点云数据进行拼接、去噪、切片、提取特征点处理，并通过切片的点云数据绘制建筑轮廓线，经过外业验证比对，各项精度均满足规范要求。与传统测量方式相比，利用三维激光扫描能极大提高建筑规划验收测量的效率。

2 技术路线

2.1 仪器简介

徕卡RTC360三维激光扫描仪由三维激光扫描头、3个HDR相机和内置惯导系统组成，还配置了工作时架放仪器的三脚架和方便查看数据的平板电脑，脚架每边分为四节，可根据高度需求自由缩放；外业数据采集时可通过平板电脑实时查看数据和点云拼接情况。

徕卡RTC360三维激光扫描仪同其他扫描仪相比具有以下优点：操作简单，仪器无须整平，一键式操作；外业作业时间短，扫描速度高达200万点每秒，单站扫描加拍照最快只需 2 min；智能拼接，基于VIS视觉追踪技术，实时计算连续站点间的相对位置，提供精确点云拼接。

采用RTC360三维激光扫描仪进行建筑规划验收测量，其作业流程主要分为前期准备、数据采集、数据预处理、点云测图、精度检查5大部分，如图1所示。

2.2 前期准备

前期准备工作分为实地踏勘、路线规划和布设控制3个步骤。前期通过对测区地形情况的了解，初步规划好测站架设位置和完成控制点的布设。测区一般布设5个控制点，其中测区4个角各一个，测区中心一个，根据场地大小可加密布设控制点。在布设控制点前应在高等级控制点上对仪器进行检核，平面位置较差绝对值不应大于 5 cm，高程检核较差不应大于 7 cm。按照规范要求，建筑规划验收测量的控制点为三级控制点。

图1 作业流程

2.3 数据采集

数据采集阶段分为架设测站、扫描标靶和数据检查3个步骤。根据前期准备工作中规划好的扫描路线，逐站架设三维激光扫描仪进行扫描，相邻测站间的距离宜保持在 15 m左右，保证相邻测站间的点云重叠度在30%以上。在扫描过程中可以根据项目的需求选择点云密度，有低、中、高三个等级可供选择。如果需要获取点云的RGB信息，可以选择拍照功能。在每一站扫描完成后可以通过平板电脑检查数据质量和拼接情况。因为最终需要的成果是地方独立坐标系，所以需要对控制点进行扫描，方便数据处理时对坐标进行转换。在对控制点进行扫描时，需要将扫描仪架设在离控制点 7 m以内，保证后期数据处理时正确识别标靶，记录每个标靶的高度。

2.4 数据预处理

数据预处理分为点云拼接、添加控制点和数据输出3个步骤。数据预处理是在Cyclone Register 360软件中进行的。点云拼接是将具有重叠点云的两个测站拼接到一起，每一栋建筑的连接线都应闭合，最终使所有的连接线形成一张由多个闭合多边形组成的网。Cyclone Register 360软件提供了两种点云拼接方法：一种是在平面视图和高程视图上分别使用平移、旋转进行拼接；另一种是通过选取3个公共点进行拼接。当点云拼接精度满足要求后，需要将点云转换到地方独立坐标系。在进行坐标转换时，首先将控制点导入到项目中，然后把标靶名称改为对应的控制点名后进行坐标转换。在完成点云拼接和坐标转换之后，就可以输出拼接报告和点云数据。Cyclone Register 360软件提供了PTS、E57和PTX等多种点云格式，可以根据需求进行选择。

2.5 点云测图

点云测图分为点云去噪、点云切片、提取特征点和绘制建筑轮廓线四个步骤。点云测图是在Trimble Realworks和清华三维EPS软件中进行的。首先将拼接好的点云数据导入到Trimble Realworks软件中，为了方便数据处理，需要对点云数据进行去噪处理，删除项目范围外的冗余数据；然后根据建筑物的实际情况，选择合适的位置进行切片处理，切片的厚度设为8cm，并把切片点云以DXF的格式进行输出；再在点云模型上选取每栋建筑的±0层标高、屋顶标高、建筑制高点、房角点，并结合项目竣工图制作高度表；最后将切片点云导入清华三维EPS软件中，绘制建筑物的外轮廓线、添加属性，完成竣工图的绘制。

2.6 精度检查

竣工图测绘完成后需要对其平面、高程和边长精度进行检查。可以通过全站仪外业实测部分主要房角点、±0层标高、屋顶标高、建筑制高点来进行比较。

3 应用实例

3.1 项目概况

该项目是位于重庆市两江新区的某个别墅小区，共有16栋建筑，均为3层，建筑高度约为 12.5 m，整个项目面积约为90亩，具体范围如图2所示。由于在进行建筑规划验收地形测量时该项目还没有完全完工，测区范围内主要以房屋为主，只有少量的绿化，遮挡情况较少，适合利用三维激光扫描仪进行测量。

图2 项目范围

3.2 数据采集

在本项目中共布设了5个三级控制点，每个控制点测量四测回，每个测回平面较差不超过 2 cm，高程较差不超过 3 cm，以保证控制点的精度。在使用RTC360三维激光扫描仪进行数据采集时共架设了86站，采用低密度、不拍照的扫描方式，外业采集时间约为 6 h。测站主要架设在房角、门廊、建筑凹陷处，测站间的距离控制在 15 m～20 m之间，保证采集到完整的点云数据。

3.3 数据处理

将扫描的点云数据和控制点数据导入到Cyclone Register 360软件中。由于RTC360扫描仪具有VIS视觉追踪技术，因此连续相邻两站一般是拼接好的，只需要在测站之间添加连接并对局部拼接精度不高的区域进行细微的调整，最终让所有测站连成一张网，如图3所示。当拼接完成后，对整个点云运用控制，将点云坐标转换到地方独立坐标系。最后将点云的拼接报告和点云数据进行输出，部分点云拼接精度如表1所示。从拼接报告中可以看到，最大拼接误差为 24 mm，最小的为 10 mm，控制点误差最大为 3 mm，最小为 1 mm，满足拼接要求。

图3 拼接后点云

点云拼接精度统计表 表1

3.4 竣工图测绘

将拼接好的点云数据导入到Trimble Realworks软件中，可以看到整个测区的点云情况，如图4所示。外业采集数据时，扫描了许多测区外的点云，为了减少数据冗余、方便后期处理，需要先将这部分点云删除掉。在进行点云切片之前，需要将每栋建筑分割出来，各自放到一个文件夹里。在进行切片处理时需要选择一个合适的高度，尽量避开门窗，获取完整的外轮廓线，切片厚度一般设置为 8 cm。对获得的切片文件需要先删除内部多余的点，然后以dxf格式进行输出。

建筑规划验收测量除了需要测量建筑的轮廓线外，还需要测量建筑的±0层标高、屋顶标高、建筑制高，直接在点云模型上选取每栋建筑物的特征点并结合项目竣工图制作高度表。

将每栋建筑的切片文件导入到清华三维EPS软件中，根据点云绘制房屋竣工图，并添加楼层和高度信息。对于测区内的其他地物、地貌信息，可以直接在Trimble Realworks软件中提取，最终将提取到的地物信息合并到房屋竣工图中，经过图面整饰，得到最终成果，如图5所示。

图4 点云模型

图5 项目成果

3.5 作业效率对比

在本项目中对使用全站仪测量和三维激光扫描仪测量两种不同的作业模式的作业时间进行了统计，其结果如表2所示。从表2中可以看出使用三维激光扫描仪进行测量可以大幅度缩减外业测量时间，虽然内业时间稍有增加，但总作业时间还是仅为传统方式的二分之一。

作业效率统计表 表2

3.6 成果精度评定

为了检查根据点云模型绘制的地形图精度，使用徕卡TS09全站仪外业测量了部分主要房角、正负零标高、顶高、制高进行比较，其中平面点43个，高程点34个，分别进行平面和高程精度统计，如表3、表4所示。并选取了30条边同测距仪测量结果进行比较，边长精度统计结果如表5所示。

平面精度统计表 表3

高程精度统计表 表4

边长精度统计表 表5

平面点位较差最小为0.4 cm，最大为 2.8 cm，点位中误差为 1.33 cm。从图6中可以看出，平面点位较差基本分布在 0 cm～3 cm内，满足建筑规划验收测量条件点验测精度要求。

图6 平面精度分布

图7 高程精度分布图

高程最大误差为3.9 cm，最小为 -3.8 cm，高程中误差为 1.97 cm，并且高程较差基本分布在 -4 cm～4 cm内(图7)，满足建筑规划验收测量高程精度要求。

边长较差中误差为0.72 cm，从图8中可以看出边长最大误差为 1.8 cm，最小为 -1.5 cm，并且边长精度基本分布在 -2 cm～2 cm内，满足建筑规划验收测量边长精度要求。

图8 边长精度分布图

4 结 语

采用基于视觉跟踪拼接和自由设站的三维激光扫描技术进行建筑规划验收测量，可获得高密度和高精度的点云，最终成果平面中误差为 1.33 cm，高程中误差为 1.97 cm，完全满足建筑规划验测量的要求。在实际操作过程中也存在一些问题，为了获得每栋建筑的完整点云，需要架设较多测站，当测区范围较大的时候，数据量较大，数据导入、导出时间较长；RTC360扫描仪的有效扫描距离约为 70 m，这也限制了其只能在中低楼层使用。总体来看，采用基于视觉跟踪拼接和自由设站的三维激光扫描技术进行建筑规划验收测量，可以极大程度地减少外业工作量，提高工作效率，同时确保了成果的准确性。