三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的應用研究

呂磊 ，邢漢發，王敘泉

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

竣工測量(規劃驗收)是城市建筑工程的一個重要環節，其是在建筑工程竣工后，對建筑物實體進行的全方位的測量工作［1，2］。內容包括建筑物的層高和總樓高、測量并標注建筑物與其所在地塊的用地紅線坐標、建筑物周邊的規劃道路以及四周關系［3，4］。

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，是一種新型全自動高精度立體掃描技術，可以深入到任何復雜的現場環境中進行掃描操作，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據［5，6］。與傳統測量方法相比，地面三維激光掃描技術采集數據不需要接觸目標，能快速、準確地獲取目標體數據，具有密度高、精度高等特點，適合大面積或者表面復雜的物體測量及其物體局部細節測量，計算目標表面、體積、斷面、截面、等值線等，為測繪人員突破傳統測量技術提供了一種全新的數據獲取手段［7，8］。

目前，城市竣工測量主要為二維平面測量，這些數據為規劃管理提供了基礎數據。然而隨著城市化進程的進一步加速，異形建筑越來越多，城市規劃管理越來越復雜，二維竣工測量圖不能提供建筑物風格、色調等要素，已經不能滿足規劃管理的要求。隨著三維激光掃描技術在國內外各個領域的廣泛應用，將其引入到竣工測量中是一條可行途徑［9～11］。目前地面激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的應用實例較少，本文設計了三維竣工測量技術方案，探索地面激光掃描儀測量技術在竣工測量領域的可行性。

2 工程概況及作業流程

2.1 工程概況

廣州市南豐國際會展中心坐落于廣州市海珠區琶洲島，包括南豐匯環球展貿中心和南豐國際會展中心共兩幢大樓，集商業寫字樓、五星級酒店等于一體的現代商務貿易中心，驗收總建筑面積為28.3 萬m2，如圖1所示。

圖1 南豐國際會展中心建筑圖

會展中心外形獨特時尚，層層交錯橫縱;塔樓設計又宛如隨意凌亂堆放的方塊疊在一起，每個方塊即每一層都是錯亂而有序的疊搭;裙樓設計很具有傾斜線條美，或是向外傾斜，或是向內傾斜。由于其現代幾何式立面結構，采用全站儀設站方式較難以準確測量出裙樓傾斜面各樓層的平面位置，與交錯重疊的塔樓各樓層平面位置以及在裙樓不同傾斜角之間和塔樓各“方塊”之間進深不一的眾多凹角，這給我們的傳統規劃驗收測量帶來了挑戰。

2.2 作業流程

鑒于上述對會展中心異形建筑物竣工驗收的分析，項目組應用三維激光掃描技術對其進行竣工驗收測量。其作業流程如圖2所示，主要內容包括:控制測量、外業掃描測量、內業數據處理、竣工圖核對、三維建模、建筑面積計算、平立面圖繪制、竣工地形圖繪制等。

圖2 基于三維激光掃描技術的竣工測量流程圖

3 三維竣工測量數據采集

3.1 控制測量

為滿足建筑工程規劃驗收測量精度的要求，本工程以《衛星定位城市測量技術規范》為依據，布設一級靜態GPS 控制網，共測設靜態控制點4 個，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯測四等水準8 km(如圖3所示)。一級控制網起算點選用工程附近廣州市三等以上平面控制點，為提升整網精度，起算點范圍涵蓋4 個一級控制點，高程控制以附近二等基巖水準控制點作為起算點。采用一級GPS 控制網和四等水準不僅可以保證規劃驗收控制測量的精度，還能將驗收測量成果接入廣州市平面坐標系統和高程系統。

圖3 一級GPS 控制網圖

3.2 激光掃描測量數據采集

本工程采用RIEGL VZ－400 三維激光掃描儀，其反射距離為500 m。依據會展中心建筑物異形的特點，本次三維激光掃描主要采用了以下兩種方式:①單站絕對定向模式:三維激光掃描測站與靶標(類似全站儀的棱鏡)布設在圖根點上，并設置掃描相應參數，執行掃描。②無靶標相對定向:采用無靶標方式，直接對目標建筑物進行掃描。

掃描站點的坐標量測利用“廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統(GZCORS)”和廣州市似大地水準面，對三維激光掃描儀中內置的GPS 定位功能進行開發，使得三維激光掃描儀在掃描測量建筑物的同時測量掃描站的RTK 坐標，從而提高了外業作業速度和內業配準效率。

工程實施過程中，對兩幢樓的掃描采用精掃模式。南豐匯環球展貿中心共掃描27 站，其中10 站為在裙樓上進行掃描，共采用標靶9 個，貼于建筑物幕墻或者特征比較明顯的電線桿等物體上。南豐國際會展中心共掃描30 站，其中9 站為在裙樓上進行掃描，共采用標靶10 個，同時用全站儀對標靶和測站點坐標進行測定。其中南豐國際會展中心采集站點如圖4所示。

圖4 野外數據采集站點示意圖

4 三維竣工測量數據處理

4.1 掃描測量數據預處理

對建筑物掃描后，需要進行點云數據的預處理，包括點云去噪與修補和點云配準等工作。

(1)點云去噪與修補

獲取的原始點云數據，會由于灌木叢遮擋，自身遮擋，玻璃透射等原因造成了大量的空洞和噪音，致使原始點云質量較差，需要進行去噪、補洞等處理。

首先在地面三維激光掃描儀的配套軟件Riscan Pro 中去除偏差較大的噪音后，后在Geomagic Studio中進一步去噪與交互式操作補洞。

(2)點云數據配準

根據外業數據采集的兩種方式，數據配準工作同樣采用與之相對應的兩種模式。

①后視定向配準

對于起始測站采用靶標進行配準，輸入測站坐標和靶標坐標，采用RieGL Riscan 中后視定向配準模塊進行配準，從而確定整個點云數據的全局坐標。

②站站間配準

首先要進行粗配，可以采用兩種方法:a、選擇同名特征點的方法進行配準，該方法適用于同名點特征明顯的，至少要選擇4 個同名點，同名點應盡量選擇房屋角、線桿頂等尖銳地物點;b、根據人工交互式移動測站，使未配準站移動到已配準站的對應位置，匹配精度以能夠執行自動精確匹配為準。

粗配結束，采用軟件自動精確精配，提高配準精度，配準誤差在0.01 m以內，方可進行下一站配準。如圖5所示為南豐國際會展中心各測站數據配準之后的建筑物點云數據圖。

圖5 南豐國際會展中心各站數據配準之后的建筑物點云數據圖

4.2 建筑物面積測算

(1)采用切片法提取特征線

設計合適的切片厚度對配準之后的三維點云數據的每一層進行X－Y 水平面切面處理，通過提取特征點得到建筑物每一樓層特征線，從而計算該樓層建筑面積。

(2)建筑面積計算

采用切片法提取得到的每一樓層特征線，并通過輸出繪圖交換文件(dxf 格式文件)，將其導入CAD 軟件，在數據工程編輯狀態下繪制建筑物線劃圖，從而計算建筑物面積。

4.3 立面圖繪制

根據建筑物竣工驗收要求，核對建筑物竣工立面圖是一項重要工作，本項目根據掃描點云數據繪制的建筑物竣工立面圖與建設單位提供的竣工建筑物立面圖進行對比，可清晰了解其立面圖的實際尺寸，與現場符合情況等。本工程的立面圖繪制流程如圖6所示，采用項目組自主研發軟件Laserscanner，對點云數據三維模型進行主立面投影，并采用三維量測模式進行量測，輸出繪圖交換dxf 文件，將其導入CAD 軟件中，在規劃管理工程模板下，并根據地面LiDAR 部件高分辨率數碼相機所獲得的高清晰圖片，進行立面線劃圖繪制。

圖6 立面圖繪制流程圖

采用三維激光掃描儀進行建筑物竣工測量，其中最終產品之一的是建立目標物的三維模型，如圖7所示，并可在模型上提取斷面圖，進行量測、面積計算等。根據點云經過建模處理之后繪制的塔樓竣工立面圖，如圖8所示。

圖7 南豐國際會展中心塔樓點云圖

圖8 根據點云繪制的竣工立面圖

5 結果分析

以南豐國際中心第9 層為例(如圖9所示)，下圖為經過X－Y 水平面切面處理截留的點云平面圖，并與全站儀觀測數據進行比對(紅色線為全站儀觀測)。

圖9 南豐國際會展中心第9 層點云平面圖

項目采用地面三維激光掃描儀結合全站儀觀測，還以南豐國際會展中心第9 層為例，對該點云數據進行再次濾波去噪處理，并將其連接成線，并與全站儀觀測數對比，各角點坐標比較如表1所示。

由于兩幢樓塔樓各樓層中心均有中空，采用全站儀觀測計算南豐國際會展中心第9 層外圍面積為3 134.0 km2(未扣除中空面積)，三維激光掃描儀計算面積為3 133.1 km2，面積相差甚小。并根據前面建筑物面積測算方法計算各層面積如表2所示:

表1 全站儀與三維激光掃描測量點位坐標對比表

表2 全站儀與三維激光掃描測量各樓層面積對比表

6 總 結

城市化進程中的異形建筑增多、規劃管理復雜化，傳統二維竣工測量已不能滿足規劃管理的要求。三維激光掃描儀以其自身的技術特點，能夠獲取一些全站儀難以采集到的建筑物角點，本文以廣州市會展中心某異形建筑為工程實例，來驗證三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的可行性。首先對三維竣工測量作業流程進行了總體闡述，繼而介紹了三維竣工測量數據采集中的控制測量和激光掃描測量數據采集流程與技術，最后對三維竣工測量數據處理中的掃描測量數據預處理、建筑物面積測算和立面圖繪制三個關鍵過程進行了分析研究。三維竣工測量數據與全站儀觀測數據進行比對分析，點位和面積結果相差甚少，能夠滿足建筑竣工測量需求。綜上所述，本文認為三維激光掃描技術在結構復雜、超大規模建筑物驗收測量中具有較好的應用價值，應該在特定的規劃驗收中推廣使用。

［1］周心力．高層建筑竣工測量的組織與施測［J］．城市勘測，2007(3):93 ～94．

［2］李杰．建筑物竣工測量數據處理及質量控制［J］．測繪通報，2004(7):26 ～28．

［3］劉忠卿，秦學秀，任海英．北京市建設項目竣工測量數據庫研究與建立［J］．北京測繪，2007(4):39 ～42．

［4］鐘玉林，龔少平．城市建筑竣工測量的質量控制［J］．城市勘測，2007(2):91 ～93．

［5］徐進軍，余明輝，鄭炎兵．地面三維激光掃描儀應用綜述［J］．工程勘察，2008(12):31 ～34．

［6］周華偉，朱大明，瞿華鎣．三維激光掃描技術與GIS 在古建筑保護中的應用［J］．工程勘察，2011，39(6):73 ～77．

［7］劉燕萍，程效軍，賈東峰．基于三維激光掃描的隧道收斂分析［J］．工程勘察，2013(3):74 ～77．

［8］王星杰．三維激光掃描儀在道路竣工測量中的應用［J］．北京測繪，2012(4):21 ～25．

［9］盧丹丹，吳熙，王厚之等．三維竣工測量的研究與應用［J］．城市勘測，2010(6):47 ～50．

［10］孟志義．激光掃描技術在規劃竣工測量中的應用［J］．北京測繪，2012(1):41 ～45．

［11］劉春，楊偉．三維激光掃描對構筑物的采集和空間建模［J］．工程勘察，2006(4):49 ～53．