浅析竣工测绘中三维扫描一体化技术方案

曹 宁 秘 桐 于 茜 许艳博 马金荣 杨伯钢

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038;2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

竣工测绘是建设工程的最后一个环节,是评价与验收工程是否按图施工的基本依据,可以有效预防违法建筑物的产生[1]。传统竣工测量项目主要采用全站仪测绘的方法,此方法存在受作业环境影响较大,数据采集效率低、工作强度高、时间与人员投入多等局限性。因此,如何快速高效地进行外业数据采集,绘制更高精度的竣工成果图已成为当前研究的热点[2-5]。

三维激光扫描技术是通过高速激光扫描测量的方法,大面积、高分辨率的快速获取被测对象表面的空间点位信息,具有非接触、自动化、高效率、高精度、全覆盖等测量优势。其中,站式三维激光扫描仪在工作时位置处于固定状态,扫描精度较高,在测绘领域中具有广阔的应用前景[6-9]。

针对传统竣工测量方法的局限性,本文利用RTC360站式三维激光扫描设备进行外业数据采集,通过视觉追踪与智能拼接技术实时预拼接,获取竣工测量所需的点云数据。经过数据拼接、坐标转换以及点云去噪等处理后,进行格式转换,利用清华山维地理信息工作站基础平台(EPS 3D survey)与AutoCAD绘图工具绘制竣工平面图、立面图与地形图,并对点云数据精度与作业效率进行统计分析。研究表明,利用三维激光扫描技术进行竣工测绘,可以满足竣工测量的测绘要求,有效减少了外业测量的工作量,提高了工作效率与成果精度。

1 设备简介

本文利用徕卡RTC360三维激光扫描仪进行数据采集。

1.1 核心技术

RTC360三维激光扫描设备融合了实景复制、视觉追踪、智能拼接三大技术,集成RTC360极速三维激光扫描仪与Cyclone Field 360外业操控软件、Cyclone Register 360智能拼接软件,具有便携、简单、智能、高效等特点[10-11],如图1所示。

图1 徕卡RTC360三维激光扫描仪

(1)实景复制技术。扫描仪内置3个高像素、高动态范围成像相机,成像质量高,可真实还原现场细节,且全景照片采集速度快,不受环境光源影响,能满足不同场景的照片采集。

(2)视觉追踪技术。由5个内置相机与惯性测量单元实时计算连续两站间的相对位置,以供点云精确拼接,全过程无须人工干预,全自动操作,简单高效。

(3)智能拼接技术。将Cyclone Field 360实时预拼接与Cyclone Register 360点云拼接技术相结合,全自动化拼接,可提高点云拼接速度与精度,简化内业数据处理流程,提高工作效率。

1.2 技术参数

徕卡RTC360扫描仪相关技术参数如表1所示。

表1 技术参数

1.3 应用于竣工测量的优势

(1)设备体积小,重量轻,兼具移动性与便携性,作业负担低。

(2)操作简单直观,作业效率高,数据精度高。自动整平与自动配准技术在减少设站时间的同时,提高点云配准的可靠性,减少人工配准时间与误差,大幅避免返工。

(3)同时获取三维点云与全景影像数据,完整展现建筑结构表面特征信息。为内业绘图与质量检查提供丰富的空间与属性信息;实现竣工资料的数字化永续留存,为后期扩展应用提供数据支持。

2 技术路线

竣工测绘三维扫描一体化技术方案整体工作流程主要包括数据采集、数据处理、成果制作、精度验证与效率统计以及成果提交,如图2所示。在现场踏勘后,进行仪器准备、竣工资料以及首级控制资料调阅等前期准备工作,并布设控制点,利用站式三维激光扫描设备进行外业数据采集与实时预拼接;将获取的点云数据进行拼接、坐标转换以及点云去噪等处理;利用绘图软件分别绘制竣工平面图、立面图与竣工测量地形图,并经质量检查合格后提交成果。

3 数据采集

3.1 现场踏勘

在进行扫描作业前做好仪器、竣工资料准备以及首级控制资料调阅等前期工作。数据采集过程中,为了兼顾测绘精度与扫描效率,要在确保扫描无死角以及测站间点云重叠度的同时,以尽量少的设站数获取扫描对象信息。并且由于扫描站点的增加以及位置分布可能会导致误差累积,影响配准精度与最终成果精度。所以必须提前进行现场踏勘,了解扫描对象及其周边环境,设计最佳扫描路线与站点分布,减少扫描盲点,尽量避免后期补测工作。

3.2 数据采集

在扫描作业前,需要提前进行控制测量,即在关键点进行标靶布设及测量,用于后续绝对坐标的配准。现场作业时开启扫描仪的视觉追踪功能并实时预拼接,为后续不同测站间点云数据拼接与校核提供依据。根据设计路线及规划测站,完成所有测站点云的扫描及自动拼接[12]。

其中,作业过程应注意：

(1)扫描设备架设时,应选择远离车辆人群、稳定坚固的地面,避开地面震动较大区域。

图2 技术路线

(2)相邻站之间应相互通视并保证30%以上的公共区域。针对相对复杂或遮挡严重区域,可适当增加测站数量,以保证数据完整性。但架站密度不宜过大,否则将大幅增加数据采集与处理的工作量。

(3)应根据项目需求与扫描对象复杂程度,合理设置点云分辨率。避免因分辨率过低而丢失扫描对象特征导致精度降低,同时避免点云过密而增加点云数据量以及内业处理时间。

扫描路线应尽量形成多个闭合环,以确保相对位置准确,提高整体拼接精度。

4 数据处理

4.1 点云拼接

将外业获取的各测站原始点云数据,利用Cyclone Register 360软件拼接为完整点云[13]。由于在数据采集过程中,已对各站点云基于视觉追踪技术进行了预拼接,故数据导入后,绝大部分点云数据已实现了配准拼接。导入后的点云以点群形式显示,根据精度高低显示为红色、黄色、绿色。检查预拼接点群的对齐状况,对误差超出允许偏差的点群,通过同名点或目视拼接的方式进行拼接,在精度满足要求的情况下生成完整闭合的点云群。

4.2 坐标转换

通过“应用控制点”功能提取获取的标靶点三维坐标,将拼接后的整体点云配准到绝对坐标系[14]。并生成配准报告,发布点云成果,输出*.las格式标准点云数据,如图3所示。

图3 点云拼接及坐标转换

4.3 点云去噪

由于在扫描过程中,会因传感器本身、环境变化以及被测物体表面光滑程度等多种因素,不可避免地导致原始点云中存在部分干扰点或错误点。因此,需要对获取的点云数据进行去噪,删除冗余点云,节省存储空间的同时,排除干扰数据,提高后续成果制作的效率与精度[15]。在Autodesk ReCap软件中,通过人机交互的手段,利用限制工具进行范围约束,以人工框选的方式完成精细点云去噪,如图4所示。

图4 点云去噪效果

5 成果制作

5.1 平面图绘制

将去噪后的整体点云,利用Autodesk ReCap软件,进行格式转换,将*.las格式数据转换为*.rcp格式点云数据,为竣工平面图绘制提供基础数据。

通过AutoCAD绘图软件,建立统一模板,利用CloudWorx插件对点云数据进行切片、旋转,依据竣工测量相关要求,绘制竣工平面图,标注相关信息。并经检查合格后提交最终成果。

5.2 立面图绘制

绘制竣工立面图需要利用清华山维EPS 3D Survey三维测图软件将*.las数据转换为*.pcd格式数据。经过点云切片、图框生成、点云切片测量等处理,绘制竣工立面图,并经检查合格后提供最终成果。

5.3 地形图绘制

在选择比例尺后,将格式转换后的*.pcd格式点云数据加载到清华山维EPS 3D Survey软件中。根据需求设置点云着色方式,依据竣工测量要求,提取与绘制点、线、面等基本地物,生成等高线,提取高程点,绘制竣工地形图。

在地形图绘制完成后,进行数据质检,包括空间数据逻辑检查、自交叉检查、重叠对象检查、等高线与高程点检查等。合格后输出竣工地形图,如图5所示。

图5 竣工地形图

6 精度分析

经与全站仪测量数据进行统计比较分析,利用全站仪与扫描仪同时作业,采用同精度控制点,通过双极坐标法串测与水准联测,获取点位坐标与高程。由表2、表3可知,徕卡RTC360三维激光扫描仪测量相同点的点位平面较差中误差为1.4 cm,单边较差中误差为1.0 cm,高程较差中误差为2.0 cm,精度统计结果满足竣工测量相关规范要求。

表2 扫描仪与全站仪坐标精度统计 单位：m

表3 地物点及高程点精度统计 单位：m

7 效率统计

经某一实际项目数据统计分析,采用三维激光扫描技术开展竣工测绘工作,综合效率能达到传统全站仪测量的两倍左右,特别是外业工作只有全站仪测量的20%,有效地把大量外业工作转化为内业处理,减小了天气与环境复杂程度等因素对测量工作的制约。其中,由于点云数据更加精细、全面,使得外业数据处理时间较全站仪略长,但随着未来软硬件性能的提升,处理时间将进一步缩短;与此同时,依据高精度、全覆盖的点云数据,使内业成图与质量检查工作能充分利用点云记载的丰富空间和属性信息,效率均有所提高,详细对比情况如表4所示。

表4 效率统计

8 结束语

本文针对现今竣工测绘领域面临的实际工程难题与测量方法存在的局限性,利用三维激光扫描技术获取点云数据,通过拼接、坐标转换与去噪等处理,绘制多种竣工成果图,降低了作业所需的人员与时间成本,大幅提高了工作效率与成果可靠性,为竣工测绘中三维扫描技术的应用提供了科学的理论指导与可靠的技术支撑。因此,随着三维激光扫描设备与软硬件性能的提升,竣工测绘中三维扫描一体化技术已逐步取代传统高成本、低效率的测量方法,为工程竣工测绘提供了全新、可行的技术手段与生产模式。