三维激光扫描技术在异形建筑规划条件核实测量中的应用

田泽海，杨友生，宋康明

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

随着我国经济实力的飞速发展，城市中不断涌现出代表城市综合实力的异形建筑[1-2]。异形建筑即特殊形状的建筑体，其建筑幕墙表面整体的形态呈曲面而表现出较为特殊的立面和空间效果，展现出极强的视觉冲击力和感染力[3]。一幢幢造型各异的建筑给城市带来了无限的吸引力，也对测量工作者提出了巨大挑战，如何高效完成对其规划条件的核实测量已迫在眉睫[4]。三维激光扫描技术，又称实景复制技术，作为测绘领域继GPS技术之后的一次重大技术革命[5]，能高精度、高密度、高速度和非接触地获取地物三维空间信息，近年来已在古建筑修复、文物保护、紧急服务业和测绘工程等领域大展身手。

行政审批速度决定了城市发展的高度，更能展现城市的“软实力”[6-7]。为了加快规划行政审批效率，本文将Trimble SX10三维激光扫描仪应用于广州市第三少年宫规划条件核实测量中。结果表明，采用三维激光扫描技术不仅能高效获取符合要求的规划条件核实测量成果，而且能大大提高行政审批效率，为规划部门工作者带来极大的便利。

1 工程概况与技术路线

1.1 工程概况

广州市第三少年宫（图1）位于黄埔区大沙北路，由一栋主楼和一栋剧院组成，两栋建筑通过空中连廊相连，规划占地面积为28 022 m2，总建筑面积约为29 679 m2。广州市第三少年宫毗邻黄埔区图书馆，是粤港澳大湾区青少年素养教育创新联合基地，建筑物外廓带有曲面、斜面和退层，并有一定的倾斜角度，内部设有中庭、开敞与半开敞的庭院空间，因此利用常规测量方法难以获取建筑平面、立面信息数据等规划条件核实测量的重要成果，而采用三维激光扫描技术就能很好地满足测量要求。

图1 广州市第三少年宫

1.2 技术路线

本文结合广州市第三少年宫建设项目，首先利用三维激光扫描技术获取建筑物点云数据，并建立三维模型；再采用切片法获取面积计算轮廓线；然后利用广州市规划基础信息平台进行规划条件核实面积计算；最后采用特性点提取技术进行立面图绘制。技术路线如图2所示。

图2 异形建筑规划条件核实测量技术路线图

2 数据采集

2.1 控制测量

为了满足建筑工程规划条件核实测量的精度要求，以《卫星定位城市技术规范》为依据，考虑到三维激光扫描仪作业仰角范围，工程布设了6对网络RTK控制点。施工单位提供的竣工图显示，两栋楼的建筑高度（从室外地平线算起）分别为25.45 m和32.00 m，因此点位无需布设太远，即可完整扫描建筑底部和顶部。

2.2 点云数据采集

工程采用Trimble SX10三维激光扫描仪（图3）获取点云数据。它集立体测量、摄像和高速3D扫描于一体，在600 m范围内可清晰、高速地扫描量测，每秒可获取26 600个点云数据。具体技术指标如表1所示。

根据少年宫外形特征，本次三维激光扫描主要采用单站绝对定位模式进行数据采集，即将扫描仪设置在图根点上，输入相应参数后进行扫描。为了加快外业工作进度，扫描站点平面坐标和高程值通过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直接获取[7]，这样可几乎在同一时间段获取建筑点云信息和扫描站点信息。Trimble SX10三维激光扫描仪提供了粗略、标准、精细和超精细4种扫描模式，可根据现场实际情况、建筑物形体等进行选择，本次工程主要采用精细模式进行作业。

图3 Trimble SX10三维激光扫描仪

表1 Trimble SX10三维激光扫描仪技术指标

3 数据处理

3.1 数据预处理

由三维激光扫描仪直接获取的点云数据数量庞大、密度高且存在很多无效点云，因此需对其进行预处理，主要包括点云去噪、修补、配准等流程。

3.1.1 点云去噪、修补

外业采用三维激光扫描仪作业时，现场环境难免存在树木、其他建筑物等干扰，将产生很多无效甚至“有害”点云。去噪是对点云最基础的优化过程，也是处理点云数据最重要的环节[2]，即将有效点保留、无效点剔除的过程，往往采用滤波器和人工交互的方式进行。修补是对漏扫区域进行补扫的过程，以确保建筑点云数据的完整性。

3.1.2 点云配准

每个测站都有独立的测量坐标系，为了将所有有效点云统一在一个坐标系中，需对多站的点云数据进行拼接，即点云配准，主要包括粗配准和精配准两大步骤[7-9]。

在两两扫描站点之间至少选择4个同名点，并根据同名点的几何特征解算空间相似变换矩阵，再通过旋转、平移完成点云的粗配准。

式中，（XA,YA,ZA）和（XB,YB,ZB）为同名点在两个扫描坐标系中的三维坐标；R为旋转矩阵；T为平移矩阵[10-11]。

粗配准完成后，由于配准精度无法满足工程要求，因此需要通过软件进行自动精确配准，以提高配准精度。当满足配准误差≤10 cm后，再进行其他站点的配准。广州市第三少年宫最终点云配准效果如图4所示。

图4 广州市第三少年宫点云

3.2 平面图绘制和建筑面积计算

工程利用点云切片法提取建筑物特征线，即根据工程实际情况，设计厚度适宜的切片对完成配准的点云数据进行水平面切割，再通过点云数据提取的建筑物特征点构建建筑物每一层的特征线，最后剖切出每一层的特征面，即可计算每一楼层的建筑面积[4,12]。

建筑面积的具体计算方法为：将每一层的特征面文件导入广州市规划基础信息平台，通过规划条件核实测量模块计算各楼层的建筑物面积，如图5所示。广州市规划基础信息平台是广州市城市规划勘测设计研究院自主研发的，可实现绘制现状地形图成图、规划条件核实测量平面位置关系图、立面图等一体化作业，还可进行规划条件核实建筑面积自动构面计算、报建与竣工规划信息对比等，以实现项目报建与规划条件核实对比、竣工成果一体化，既简化了作业的中间过程和对其他软件的成果转换，又提高了作业效率。

图5 整体和分层平面图

3.3 立面图绘制

立面图正确绘制与否将直接影响规划行政审批对楼宇退缩间距、日照间距的合理判断。工程采用GeoMagic软件对点云三维模型进行主立面投影处理，通过编辑立面点云可获得投影编辑完成后的立面点云数据；再将其导入广州市规划基础信息平台，结合数码相机获取的高分辨率影像，绘制建筑立面线划图。某一方向的立面图如图6所示，该方向立面图的轮廓图如图7所示。规划部门行政审批往往对图7的建筑高度、外轮廓进行核查即可。

图6 建筑立面图

图7 建筑立面图（外轮廓图）

4 精度分析

少年宫外形复杂，利用全站仪无法或很难精确获取所有楼层计算面积轮廓线，因此本文将施工图计算所得的竣工面积与Trimble SX10三维激光扫描仪实测的建筑面积进行对比（表2），同时将Trimble SX10三维激光扫描仪获取的坐标数据与全站仪测量数据进行对比（表3、4）。

表2 竣工图面积与Trimble SX10三维激光扫描仪实测面积对比表

表3 全站仪测量与Trimble SX10三维激光扫描仪实测点云平面坐标对比表/m

表4 全站仪测量与Trimble SX10三维激光扫描仪实测点云高程坐标对比表/ m

由表2可知，采用Trimble SX10三维激光扫描仪求取的建筑面积与施工图计算所得的竣工面积的平均较差百分比为0.24%和0.44%，最大值为0.73%，最小值为0.11%，满足规划条件核实测量面积误差＜1%的要求；由表3、4可知，全站仪和Trimble SX10三维激光扫描仪测取相同点的点位平面较差平均值为2.6 cm、高程较差平均值为2.8 cm，满足规划条件核实测量主要地物点平面坐标、高程精度≤5 cm的要求。

5 结 语

本文以广州市第三少年宫为例，将三维激光扫描技术应用于面向规划行政审批的异形建筑规划条件核实测量中，采用点云切片法、主立面投影法对点云数据进行编辑处理，通过对建筑面积、点位坐标和高程的对比分析，验证了三维激光扫描技术应用于建筑工程规划条件核查测量的可行性。规划部门工作者可充分利用获取的三维模型快速了解需要规划条件核实的建（构）筑物整体轮廓、外观，可提前了解现场实地检查建（构）筑物的相关信息，以便有针对性的检查；同时切片法获取的每层轮廓可加速工作人员核实面积的工作效率，提高规划部门建筑工程行政审批的效率。