三維框架控制掃描技術(shù)在特大型JRC塑石工程審計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究

董傳勝，侯飛，趙云昌，徐花芝，李通，劉虎

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250013)

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技術(shù)方法

三維框架控制掃描技術(shù)在特大型JRC塑石工程審計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究

董傳勝，侯飛，趙云昌，徐花芝，李通，劉虎

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250013)

中小型不規(guī)則物體逆向建模是三維激光掃描技術(shù)一個(gè)主要的應(yīng)用方向，廣泛用于產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)及制造。但針對(duì)特大型JRC塑石工程，由于誤差積累等主要因素，制約著三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。該文提出三維框架控制掃描方案，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了特大型JRC塑石工程高精度特征統(tǒng)計(jì)，并成功應(yīng)用于山東東營某動(dòng)物園特大型JRC塑石工程審計(jì)，為防止國有資產(chǎn)的流失提供了客觀、有效的先進(jìn)手段，具有較好的借鑒及實(shí)用價(jià)值。

逆向建模;三維框架控制掃描;高精度特征統(tǒng)計(jì);特大型JRC塑石工程審計(jì)

0 引言

隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，逆向建模成為中小型不規(guī)則物體特別是雕塑表面積、體積等特征精確統(tǒng)計(jì)的一種先進(jìn)手段。單站三維激光掃描誤差由系統(tǒng)誤差和偶然誤差組成[1]，檢較后，誤差一般可以控制在毫米級(jí)[2]，但針對(duì)大型復(fù)雜對(duì)象，多站掃描數(shù)據(jù)融合引起的拼接誤差不容小覷，由于誤差積累等主要因素，目前這種方法尚未被很好地引入到特大型JRC塑石工程特征統(tǒng)計(jì)中。

復(fù)雜地面對(duì)象表面一般采用多測站多視角環(huán)繞式掃描方式，再通過分塊數(shù)據(jù)拼接處理獲得完整表面點(diǎn)云[3]。但特大型JRC塑石工程，形體巨大、紋理復(fù)雜、盲區(qū)繁多，多視點(diǎn)激光點(diǎn)云的全自動(dòng)無縫拼接無法實(shí)現(xiàn)[4]，制約著三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。如何提出有效的三維激光掃描方案，既能解決特大型JRC塑石工程盲區(qū)遮擋問題，又能滿足審計(jì)的高精度要求是該文的重點(diǎn)。從這一現(xiàn)實(shí)出發(fā)，該文提出了三維框架控制掃描方案，有效減弱了累積拼接誤差，通過山東東營某動(dòng)物園特大塑石工程審計(jì)項(xiàng)目實(shí)例，驗(yàn)證了三維框架控制掃描方案的可行性，為國有資產(chǎn)審計(jì)提供了客觀、有效的先進(jìn)技術(shù)手段，同時(shí)開創(chuàng)了三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)特大型JRC塑石工程審計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的先河，具有非常大的借鑒及實(shí)用價(jià)值。

1 三維框架控制掃描方案介紹

1.1 三維框架控制掃描系統(tǒng)組成

(1)硬件系統(tǒng)。主要由地面三維激光掃描儀、云梯組成(圖1)。地面三維激光掃描儀獲取高精度、高密度帶回光強(qiáng)度[5]信息的激光點(diǎn)云。云梯具有自動(dòng)升降功能，高空穩(wěn)定性較好，主要用于頂面掃描。

圖1 三維框架控制掃描系統(tǒng)硬件組成

(2)軟件系統(tǒng)。三維激光處理軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)拼接軟件、數(shù)據(jù)編輯軟件、逆向建模軟件組成。數(shù)據(jù)采集軟件用于地面單站式激光點(diǎn)云采集及影像獲取。數(shù)據(jù)拼接軟件基于物體自身特征實(shí)現(xiàn)單站式激光點(diǎn)云拼接。數(shù)據(jù)編輯軟件用于三維激光點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等編輯。逆向建模軟件采用Geomatic逆向工程軟件。

1.2 方法與流程

三維激光掃描技術(shù)在特大型JRC塑石工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)在于如何消除大量單站激光掃描數(shù)據(jù)引起的累積拼接誤差，該文提出了三維框架控制掃描方案，用以減弱誤差累積。三維控制掃描站具體可分為側(cè)面控制和頂面控制，根據(jù)塑石工程的布局，側(cè)面控制又可細(xì)分為外網(wǎng)控制和內(nèi)網(wǎng)控制。

控制站的選取要遵循整體覆蓋、少數(shù)合理、兩兩相應(yīng)原則。既要保證三維控制站可以覆蓋整個(gè)工程布局，又要盡量優(yōu)化減少控制站，以減小首級(jí)三維框架控制誤差，盡量保證局部工程布局外布設(shè)有兩兩相應(yīng)的三維框架控制站，且兩兩控制站之間的單站數(shù)也應(yīng)盡量優(yōu)化。在三維控制框架構(gòu)建過程中，應(yīng)注意外網(wǎng)控制站、內(nèi)網(wǎng)控制站、頂面控制站的銜接，以保證塑石工程頂面和側(cè)面的吻合精度。

在實(shí)際工程中，首先需要對(duì)塑石工程現(xiàn)場進(jìn)行整體查勘，繪制布局簡圖，根據(jù)塑石工程布局復(fù)雜度分別布設(shè)頂面框架控制網(wǎng)及側(cè)面框架控制網(wǎng)，要特別注意頂面和側(cè)面框架控制網(wǎng)連接站的布設(shè)。其次進(jìn)行三維框架控制網(wǎng)全局平差，然后基于三維框架控制站分部分進(jìn)行局部掃描，保證單站間既能對(duì)盲區(qū)有的放矢，又有合理的重疊帶。根據(jù)局部布局的復(fù)雜程度，個(gè)別控制站必要時(shí)可以轉(zhuǎn)為非控制站使用，以保證局部拼接的連續(xù)和精度。利用特征信息進(jìn)行單站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合、格式轉(zhuǎn)換、去噪、賦色。根據(jù)塑石工程復(fù)雜程度及單站數(shù)目對(duì)整合后點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，以分段能夠達(dá)到最佳全局注冊(cè)效果為原則。繼而分段建模，建模過程中噪音、體外孤點(diǎn)的容差設(shè)置應(yīng)具體研究設(shè)置，并盡量減少冗余激光點(diǎn)云，以最少的必要站點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)完整效果。最后進(jìn)行模型拼接，剔除冗余模型，并進(jìn)行特征計(jì)算、數(shù)據(jù)匯總，整個(gè)工藝流程如圖2所示[6]。

圖2 三維框架控制掃描工藝流程圖

2 三維框架控制掃描的應(yīng)用

2.1 三維框架控制掃描方案設(shè)計(jì)

由于塑石工程種類繁多、形態(tài)復(fù)雜以及技術(shù)手段的落后，針對(duì)塑石工程量目前國內(nèi)缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及量測方案。參考《城市雕塑工程工程量清單單價(jià)定額2011版》規(guī)定，各類城市雕塑均采用表面積方式計(jì)算工程量，因而表面積的準(zhǔn)確核算是塑石工程審計(jì)的重要客觀依據(jù)。

東營某動(dòng)物園塑石工程是國內(nèi)特大型的JRC塑石工程之一，包括塑石大門、屋頂、假山、圖騰、動(dòng)物等造型，形態(tài)復(fù)雜、高低不一，圓環(huán)狀布局，表面積計(jì)算難度極大。將整個(gè)塑石工程分為大門、屋頂、看臺(tái)、假山、圖騰柱等部分，并根據(jù)各部分布局高度，在多數(shù)站點(diǎn)上環(huán)抱式布設(shè)了頂面和側(cè)面三維框架控制站，如圖3所示。

圖3 三維框架控制站布設(shè)方案

2.2 與傳統(tǒng)審計(jì)方案的對(duì)比

以東營某動(dòng)物園特大型JRC塑石大門為實(shí)例，進(jìn)行了傳統(tǒng)與三維框架控制掃描方案表面積計(jì)算效果對(duì)比，東營某動(dòng)物園JRC塑石大門模型效果如圖4所示。

圖4 東營某動(dòng)物園JRC塑石大門

(1)傳統(tǒng)審計(jì)方案。傳統(tǒng)的測量方式有：①貼報(bào)方式，但只適用于小型塑石假山，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，誤差較大。②鋼絲網(wǎng)法，該方法相對(duì)準(zhǔn)確，但依賴于施工方單方上報(bào)數(shù)據(jù)，不利于事后客觀審計(jì)。③丈量法，按單體最寬外接矩形乘以單體平均高度再乘以1～1.5的系數(shù)，該方法簡單易用，也是業(yè)界普遍適用的估價(jià)及預(yù)算方法，但缺少客觀依據(jù)，主觀性大，在事后審計(jì)上頗具爭議[7-10]。

(2)三維框架控制掃描審計(jì)方案。三維激光掃描技術(shù)作為新興先進(jìn)技術(shù)手段，可利用獲取高精度、高密度三維激光點(diǎn)云，“所見即所得”，在產(chǎn)品制造上已經(jīng)運(yùn)用非常成熟，但在大型工程逆向建模方面由于積累誤差及眾多盲區(qū)的存在，缺乏成功的案例。該文利用高空頂面及地上側(cè)面三維控制框架，成功突破了誤差積累的瓶頸，不僅實(shí)現(xiàn)了三維高精度激光掃描在特大型塑石工程逆向建模及特征計(jì)算方面的應(yīng)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備有效協(xié)同作業(yè)，極大提高了統(tǒng)計(jì)精度及作業(yè)效率，量測數(shù)值對(duì)比見表1、表2。

綜上所述，傳統(tǒng)審計(jì)方式精度低，系數(shù)確定受主觀因素影響較大，給審計(jì)工作帶來諸多不確定性，而三維框架控制掃描方案成功將先進(jìn)技術(shù)手段引入到審計(jì)工作中，開創(chuàng)了三維激光掃描技術(shù)在特大型JRC塑石工程中的應(yīng)用先河，而且可以提供特大型JRC塑石工程精細(xì)三維模型、體積、周長等多元信息。

表1 表面積量測值對(duì)比

表2 精度對(duì)比

3 結(jié)語

在實(shí)際塑石工程審計(jì)中，工程地下部分和極少數(shù)難量測的盲區(qū)，往往受設(shè)備硬件大小限制還需傳統(tǒng)丈量方式量測或引入高端微型激光掃描系統(tǒng)。然而，三維框架控制掃描方案以其成果的多元性，特征計(jì)算的精確性為審計(jì)工作提供強(qiáng)有力的科學(xué)支持，為廣大施工方逐步接受，為國內(nèi)特大型JRC塑石工程審計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范統(tǒng)一開啟新篇章。該技術(shù)在國內(nèi)尚無明確記載先例，將為國內(nèi)類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和實(shí)際參考價(jià)值。

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Innovative Application of 3D Laser Control Scanning Technology in Super-huge JRC Sculpture Audit

DONG Chuansheng， HOU Fei， ZHAO Yunchang，XU Huazhi，LI Tong， LIU Hu

(Shandong Land Surveying and Mapping Institute, Shandong Jinan 250102, China)

Reverse modeling of small and medium-sized irregular objects is the main application direction for 3D Laser Control Scanning which is widely used in product manufacture. But it restricts the application of 3D Laser Control Scanning technology in super-huge JRC sculpture audit because of the error accumulation. 3D Laser Control Scanning plan has been put forward. It takes the lead in implementation of high-precision characteristic statistic of super-huge JRC sculpture. 3D Laser Control Scanning Technology is successfully applied to Dongying zoo aduit, which provides an objective and effective advanced technology to prevent the loss of state-owned assets. It has great practical and references value for super-huge JRC sculpture audit.

Reverse modeling;3D Laser Control Scanning; High-precision characteristic statistics; super-huge JRC sculpture audit

2016-05-18；

2016-08-05；編輯：曹麗麗

董傳勝(1966—)，男，山東臨邑人，工程師，主要研究方向?yàn)楣こ虦y量技術(shù)研究與應(yīng)用；E-mail：xigehongdan@163.com

P208

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董傳勝，侯飛，趙云昌，等.三維框架控制掃描技術(shù)在特大型JRC塑石工程審計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究[J].山東國土資源，2016,32(11)：70-73.DONG Chuansheng， HOU Fei， ZHAO Yunchang，etc.Innovative Application of 3D Laser Control Scanning Technology in Super-huge JRC Sculpture Audit[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(11)：70-73.