基于地面LiDAR技術(shù)的異形建筑竣工測(cè)量方法研究

呂 磊，邢漢發(fā)，王敘泉

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

基于地面LiDAR技術(shù)的異形建筑竣工測(cè)量方法研究

呂 磊，邢漢發(fā)，王敘泉

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

在分析地面LiDAR技術(shù)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，以廣州市會(huì)展中心某異形建筑為工程實(shí)例，提出一種基于地面LiDAR技術(shù)的城市異形建筑竣工測(cè)量方法。首先對(duì)工程概況及其作業(yè)流程進(jìn)行闡述，繼而分別對(duì)地面三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集和處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹，最后對(duì)工程結(jié)果進(jìn)行分析。研究和分析結(jié)果表明，地面LiDAR技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形建筑物測(cè)量中具有較好的應(yīng)用前景。

異形建筑；竣工測(cè)量；地面LiDAR技術(shù)；三維點(diǎn)云；立面圖繪制

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速增長(zhǎng)，我國(guó)建筑業(yè)也呈現(xiàn)出日新月異、飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。異型建筑因其外觀獨(dú)特、跨度寬、空間大等特點(diǎn)而越來越多地在城市中涌現(xiàn)，特別是音樂廳、博物館、展覽館等公共建筑大都采用了異型建筑的構(gòu)造形式[1-3]。

地面LiDAR技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種新型全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，可大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[4-5]。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，地面LiDAR技術(shù)采集數(shù)據(jù)不需要接觸目標(biāo)，能快速、準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)體數(shù)據(jù)，具有密度高、精度高等特點(diǎn)，適合大面積或者表面復(fù)雜的物體測(cè)量及其物體局部細(xì)節(jié)測(cè)量，計(jì)算目標(biāo)表面、體積、斷面、截面、等值線等，為測(cè)繪人員突破傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取手段[6]。

目前，異形建筑在美化城市景觀、彰顯城市個(gè)性化的同時(shí)，也給測(cè)繪工作者提出了巨大挑戰(zhàn)，如何對(duì)各式各樣異形建筑物進(jìn)行快速竣工驗(yàn)收是一個(gè)急需解決的問題[7-8]。隨著地面LiDAR技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將其引入到異形建筑竣工測(cè)量中是一條可行途徑[9-11]。目前，地面激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例較少，本文設(shè)計(jì)了三維竣工測(cè)量技術(shù)方案，探索地面激光掃描儀測(cè)量技術(shù)在竣工測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

1 工程概況與作業(yè)流程

1.1 工程概況

廣州市南豐國(guó)際會(huì)展中心(見圖1)坐落于廣州市海珠區(qū)琶洲島，包括南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心和南豐國(guó)際會(huì)展中心共兩幢大樓，集商業(yè)寫字樓、五星級(jí)酒店等于一體的現(xiàn)代商務(wù)貿(mào)易中心，驗(yàn)收總建筑面積為28.3萬m2。

會(huì)展中心外型獨(dú)特時(shí)尚，層層交錯(cuò)橫縱；塔樓設(shè)計(jì)又宛如隨意凌亂疊放在一起的方塊，每個(gè)方塊即每一層都是錯(cuò)亂而有序的疊搭；裙樓設(shè)計(jì)很具有傾斜線條美，或是向外傾斜，或是向內(nèi)傾斜。由于其幾何式立面結(jié)構(gòu)，采用全站儀設(shè)站方式難以準(zhǔn)確測(cè)量出裙樓傾斜面各樓層的平面位置與交錯(cuò)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(jìn)深不一的眾多凹角，這給傳統(tǒng)規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量帶來了挑戰(zhàn)。

圖1 南豐國(guó)際會(huì)展中心建筑圖

1.2 作業(yè)流程

鑒于項(xiàng)目中異形建筑物的外形特點(diǎn)，項(xiàng)目組應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行竣工驗(yàn)收測(cè)量，其作業(yè)流程如圖2所示，主要內(nèi)容包括：控制測(cè)量、外業(yè)掃描測(cè)量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、竣工圖核對(duì)、三維建模、建筑面積計(jì)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(shù)的竣工測(cè)量流程

2 地面三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集

2.1 控制測(cè)量

為滿足建筑工程規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量精度的要求，本工程以《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，布設(shè)一級(jí)靜態(tài)GPS控制網(wǎng)，共測(cè)設(shè)靜態(tài)控制點(diǎn)4個(gè)，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)8 km(見圖3)。一級(jí)控制網(wǎng)起算點(diǎn)選用工程附近廣州市三等以上平面控制點(diǎn)，為提升整網(wǎng)精度，起算點(diǎn)范圍涵蓋4個(gè)一級(jí)控制點(diǎn)，高程控制以附近二等基巖水準(zhǔn)控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。采用一級(jí)GPS控制網(wǎng)和四等水準(zhǔn)不僅可以保證規(guī)劃驗(yàn)收控制測(cè)量的精度，還能將驗(yàn)收測(cè)量成果接入廣州市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。

圖3 一級(jí)GPS控制網(wǎng)

2.2 激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)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(jù)會(huì)展中心建筑物異形的特點(diǎn)，本次三維激光掃描主要采用以下兩種方式：①單站絕對(duì)定向模式：三維激光掃描測(cè)站與靶標(biāo)(類似全站儀的棱鏡)布設(shè)在圖根點(diǎn)上，并設(shè)置掃描相應(yīng)參數(shù)，執(zhí)行掃描。②無靶標(biāo)相對(duì)定向：采用無靶標(biāo)方式，直接對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行掃描。

掃描站點(diǎn)的坐標(biāo)量測(cè)利用“廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)”和廣州市似大地水準(zhǔn)面，對(duì)三維激光掃描儀中內(nèi)置的GPS定位功能進(jìn)行開發(fā)，使得三維激光掃描儀在掃描測(cè)量建筑物的同時(shí)測(cè)量掃描站的RTK坐標(biāo)，從而提高外業(yè)作業(yè)速度和內(nèi)業(yè)配準(zhǔn)效率。

工程實(shí)施過程中，對(duì)兩幢樓的掃描采用精掃模式。南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心共掃描27站，其中10站為在裙樓上進(jìn)行掃描，共采用標(biāo)靶9個(gè)，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(guó)際會(huì)展中心共掃描30站，其中9站為在裙樓上進(jìn)行掃描，共采用標(biāo)靶10個(gè)，同時(shí)用全站儀對(duì)標(biāo)靶和測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

3 地面三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)處理

3.1 掃描測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)建筑物掃描后，需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)和點(diǎn)云配準(zhǔn)等工作。

3.1.1 點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)

獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，會(huì)由于灌木叢遮擋、自身遮擋、玻璃透射等原因造成大量空洞和噪音，致使原始點(diǎn)云質(zhì)量較差，需要進(jìn)行去噪、補(bǔ)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，然后在Geomagic Studio中進(jìn)一步去噪與交互式操作補(bǔ)洞。

3.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的兩種方式，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作同樣采用與之相對(duì)應(yīng)的兩種模式。

1)后視定向配準(zhǔn)。對(duì)于起始測(cè)站采用靶標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，輸入測(cè)站坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)，采用RieGL Riscan 中后視定向配準(zhǔn)模塊進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全局坐標(biāo)。

2)站站間配準(zhǔn)。首先要進(jìn)行粗配，可以采用兩種方法：①選擇同名特征點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，該方法適用于同名點(diǎn)特征明顯的，至少要選擇4 個(gè)同名點(diǎn)，同名點(diǎn)應(yīng)盡量選擇房屋角、線桿頂?shù)燃怃J地物點(diǎn)；②根據(jù)人工交互式移動(dòng)測(cè)站，使未配準(zhǔn)站移動(dòng)到已配準(zhǔn)站的對(duì)應(yīng)位置，匹配精度以能夠執(zhí)行自動(dòng)精確匹配為準(zhǔn)。

粗配結(jié)束，采用軟件自動(dòng)精確精配，提高配準(zhǔn)精度，配準(zhǔn)誤差在0.01 m 以內(nèi)，方可進(jìn)行下一站配準(zhǔn)。圖4為南豐國(guó)際會(huì)展中心各測(cè)站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖4 南豐國(guó)際會(huì)展中心各站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

3.2 建筑物面積測(cè)算

1)采用切片法提取特征線。設(shè)計(jì)合適的切片厚度對(duì)配準(zhǔn)之后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每一層進(jìn)行X-Y水平面切面處理，通過提取特征點(diǎn)得到建筑物每一樓層特征線，從而計(jì)算該樓層建筑面積。

2)建筑面積計(jì)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(dǎo)入CAD軟件，在數(shù)據(jù)工程編輯狀態(tài)下繪制建筑物線劃圖，從而計(jì)算建筑物面積。

3.3 立面圖繪制

根據(jù)建筑物竣工驗(yàn)收要求，核對(duì)建筑物竣工立面圖是一項(xiàng)重要工作，本項(xiàng)目根據(jù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的建筑物竣工立面圖與建設(shè)單位提供的竣工建筑物立面圖進(jìn)行對(duì)比，可清晰了解其立面圖的實(shí)際尺寸與現(xiàn)場(chǎng)符合情況等。本工程的立面圖繪制流程如圖5所示，采用項(xiàng)目組自主研發(fā)軟件Laserscanner，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型進(jìn)行主立面投影，并采用三維量測(cè)模式進(jìn)行量測(cè)，輸出繪圖交換dxf文件，將其導(dǎo)入CAD軟件中，在規(guī)劃管理工程模板下，并根據(jù)地面LiDAR部件高分辨率數(shù)碼相機(jī)所獲得的高清晰圖片，進(jìn)行立面線劃圖繪制。

圖5 立面圖繪制流程

圖6 南豐國(guó)際會(huì)展中心塔樓點(diǎn)云圖

采用三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物竣工測(cè)量，其中最終產(chǎn)品之一是建立目標(biāo)物的三維模型(見圖6)，并可在模型上提取斷面圖，進(jìn)行量測(cè)、面積計(jì)算等。根據(jù)點(diǎn)云經(jīng)過建模處理之后繪制的塔樓竣工立面圖如圖7所示。

圖7 根據(jù)點(diǎn)云繪制的竣工立面圖

4 結(jié)果分析

項(xiàng)目采用地面三維激光掃描儀結(jié)合全站儀觀測(cè)，以南豐國(guó)際會(huì)展中心第9層為例，對(duì)該點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行再次濾波去噪處理，并將其連接成線(如圖8所示)，并與全站儀觀測(cè)數(shù)對(duì)比，各角點(diǎn)坐標(biāo)比較如表1所示。

圖8 南豐國(guó)際會(huì)展中心第9層點(diǎn)云平面圖

表1 全站儀與三維激光掃描測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)比 m

由于兩幢樓塔樓各樓層中心均有中空，采用全站儀觀測(cè)計(jì)算南豐國(guó)際會(huì)展中心第9層外圍面積為3 134.0 m2(未扣除中空面積)，三維激光掃描儀計(jì)算面積為3 133.1 m2，面積相差甚小。根據(jù)前面建筑物面積測(cè)算方法計(jì)算各層面積如表2所示。

表2 全站儀與三維激光掃描測(cè)量各樓層面積對(duì)比 m2

5 結(jié)束語(yǔ)

城市化進(jìn)程中的異形建筑增多、規(guī)劃管理復(fù)雜化，傳統(tǒng)二維竣工測(cè)量已不能滿足規(guī)劃管理的要求。地面三維激光掃描儀以其自身的技術(shù)特點(diǎn)，能夠獲取一些全站儀難以采集到的建筑物角點(diǎn)，本文以廣州市會(huì)展中心某異形建筑為工程實(shí)例，來驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在城市異形建筑竣工測(cè)量中的可行性。首先對(duì)三維竣工測(cè)量作業(yè)流程進(jìn)行了總體闡述，繼而介紹了三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集中的控制測(cè)量和激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集流程與技術(shù)，最后對(duì)三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的掃描測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、建筑物面積測(cè)算和立面圖繪制3個(gè)關(guān)鍵過程進(jìn)行分析研究。三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)與全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，點(diǎn)位和面積結(jié)果相差甚少，能夠滿足建筑竣工測(cè)量需求。綜上述，筆者認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形建筑物驗(yàn)收測(cè)量中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)該在特定的規(guī)劃驗(yàn)收中推廣使用。

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[責(zé)任編輯：張德福]

ResearchofgroundLiDARtechnologyinspecial-shapedbuildingsfinalsurveying

Lü Lei, XING Han-fa, WANG Xu-quan

(Guangzhou Urban Planing & Design Institute, Guangzhou 510060, China)

Based on the analysis of ground LiDAR technology in Guangzhou Exhibition Center, a special building as an example, presents a complete measurement method of city building based on ground LiDAR techniques. The general engineering situation and operation process are discussed, and then the key technology of 3D surveying data acquisition and process are introduced in details, finally the engineering results are analyzed. The results show that the ground LiDAR technology has a good application prospect in the measurement of special-shaped buildings wrth complex structure.

special-shaped buildings; final surveying; ground LiDAR; 3D point clouds; elevation drawing

2013-08-03

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012Y2-00035；2013Y2-00031)

呂 磊(1982-)，男，工程師.

P234

：A

：1006-7949(2014)01-0073-05