三維激光掃描技術(shù)在異形建筑竣工測繪中的應(yīng)用

許飛

(德州市自然資源局，山東 德州 253000)

1 引言

近年來，我國出現(xiàn)了大量異形建筑，異形建筑具有外觀獨(dú)特、空間大、跨度寬等特點(diǎn)，傳統(tǒng)測繪手段已不能滿足其竣工測繪的需求。三維激光掃描技術(shù)是于上世紀(jì)90 年代中期發(fā)展成熟的一項(xiàng)高新技術(shù)，無需接觸測量目標(biāo)就可快速、全自動、高精度獲取物體表面的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后期結(jié)合相關(guān)軟件不僅能快速復(fù)建物體的三維模型，還能進(jìn)一步提取物體的二維平面信息，因此又被稱作“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[1]。當(dāng)前，隨著三維激光掃描技術(shù)軟硬件價格的不斷下探，該技術(shù)已被越來越多地應(yīng)用于各種工程測量中，本文就三維激光掃描技術(shù)在異形建筑竣工測繪中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 三維激光掃描技術(shù)簡介

2.1 技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)原理和免棱鏡全站儀系統(tǒng)類似，即通過激光發(fā)射器周期地驅(qū)動二極管脈沖信號到達(dá)被測物體，回波信號經(jīng)漫反射返回被接收器接收，計(jì)時器同步記錄發(fā)射時刻和返回時刻，控制編碼器同步測量激光脈沖水平角和垂直角，儀器自帶的微電腦計(jì)算掃描點(diǎn)到儀器中心的斜距，進(jìn)而按極坐標(biāo)法即可求出被測物體表面掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。不同的是，免棱鏡全站儀是單點(diǎn)作業(yè)，而三維激光掃描儀可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)全方位立體掃描，將掃描獲取的密集點(diǎn)稱作點(diǎn)云[2]。

三維激光掃描技術(shù)通常采用的都是內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以掃描坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，掃描坐標(biāo)系的定義為：以發(fā)射激光束處為該坐標(biāo)系原點(diǎn)，X 軸為掃描儀水平轉(zhuǎn)動軸的零方向，Z 軸為掃描儀水平時的天頂方向（理論豎直軸），Y 軸與X 軸、Z 軸成右手坐標(biāo)關(guān)系，三維激光掃描技術(shù)測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測量原理

圖1 中，S 為坐標(biāo)原點(diǎn)到被測目標(biāo)點(diǎn)的距離，α 為掃描儀激光脈沖水平角，θ 為掃描儀激光脈沖豎直角，那么就可以用公式（1）來表示目標(biāo)點(diǎn)在掃描坐標(biāo)系中的x、y、z 三維坐標(biāo)：

2.2 誤差分析

三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)時，影響掃描精度的誤差源于多方面，主要包括距離和角度誤差、坐標(biāo)拼接誤差兩部分，測量誤差傳播的基本規(guī)律同樣適用該系統(tǒng)。（1）距離和角度誤差

根據(jù)三維激光掃描技術(shù)測量原理公式（1）可知，激光點(diǎn)的坐標(biāo)由3 個變量構(gòu)成，即距離S、掃描儀激光脈沖水平角α 和豎直角θ，根據(jù)誤差傳播定律，掃描到的激光點(diǎn)的誤差也是由這3 個變量引起的。

（2）點(diǎn)云拼接誤差

當(dāng)測量一個目標(biāo)需要設(shè)立N 個測站時,必須要把N 個測站掃描到的面狀“點(diǎn)云”拼接起來，即通過標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)與點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行匹配來實(shí)現(xiàn)多個面狀“點(diǎn)云”的拼接，在此過程中會產(chǎn)生拼接誤差，拼接誤差由全站儀與三維激光掃描儀共同產(chǎn)生，若點(diǎn)云坐標(biāo)向量與坐標(biāo)軸的交角分別為A、B、C，平移參數(shù)分別為Δx、Δy、Δz，則有公式（2）的拼接誤差模型Ω:

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

某國際會展中心集五星級酒店、商業(yè)寫字樓于一體，外形獨(dú)特時尚，塔樓設(shè)計(jì)采用幾何式立面結(jié)構(gòu)，宛如隨意凌亂疊放的方塊，層層縱橫交錯，屬于典型的異形建筑。考慮到采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行竣工測繪非常困難，項(xiàng)目組應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行竣工驗(yàn)收測量。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）控制測量

依據(jù)掃描目的和精度要求，結(jié)合異形建筑周邊環(huán)境，項(xiàng)目組決定采用閉合導(dǎo)線多站掃描的方案，掃描站點(diǎn)分布在建筑物周邊，各站點(diǎn)兩兩通視并保證掃描儀能掃描到建筑物的所有表面，站點(diǎn)坐標(biāo)由SDCORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 測量得出。掃描控制網(wǎng)布設(shè)如圖2 所示。

圖2 掃描控制網(wǎng)布設(shè)

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集采用Leica ScanStation C10 掃描儀，采集流程如圖3 所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集流程

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入和儀器配套的Cyclone軟件中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要有點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云統(tǒng)一三個步驟。

（1）點(diǎn)云拼接

為保證建筑物表面點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，采用序列拼接方法，即從第一站開始，先利用前站球形標(biāo)靶進(jìn)行初配準(zhǔn)，再利用相互重疊的點(diǎn)云進(jìn)行ICP 配準(zhǔn)。按照此方法將8 站所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完成，經(jīng)檢測首尾重疊處的點(diǎn)云相差小于6mm，滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。

（2）點(diǎn)云去噪

利用Cyclone 軟件手動去除點(diǎn)云中含有粗差的數(shù)據(jù)和無效的形體數(shù)據(jù)，這一過程屬于去噪處理，在Cyclone 軟件中打開拼接完成后的8 站點(diǎn)云總圖，通過旋轉(zhuǎn)、放大操作將點(diǎn)云調(diào)整到理想位置，根據(jù)需要在工具欄中選擇合適的工具去除噪聲點(diǎn)。

（3）點(diǎn)云統(tǒng)一

相鄰兩站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在去噪以后存在大量冗余，造成數(shù)據(jù)量增大、采樣間隔不一致的狀況，因此需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，具體過程就是在保證質(zhì)量的前提下，再次利用Cyclone 軟件對點(diǎn)云進(jìn)行統(tǒng)一化處理，同時將多站點(diǎn)云進(jìn)行壓縮并合并成一個整體。

3.4 三維建模

為準(zhǔn)確建立建筑物的三維實(shí)體模型，反映該建筑的現(xiàn)狀，借助Geomagic Studio 軟件進(jìn)行三維建模，主要構(gòu)建過程分為點(diǎn)階段、多邊形階段和曲面階段，該國際會展中心的外觀圖和局部三維模型如圖4所示。

圖4 異形建筑外觀和局部三維模型

（1）點(diǎn)階段

點(diǎn)階段是對掃描的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理，具體包括：點(diǎn)云坐標(biāo)擺正、去除噪聲點(diǎn)、點(diǎn)云的重采樣和封裝、點(diǎn)云的導(dǎo)入和著色等，此階段主要是為后續(xù)建模打好基礎(chǔ)。

（2）多邊形階段

此階段包括多邊形的簡化、多邊形表面的光滑化處理、多邊形孔洞和缺口的修補(bǔ)等，由于該階段會關(guān)系到模型曲面生成的質(zhì)量，因此處理工作必須認(rèn)真細(xì)致，最終得到形狀完整、光滑的多邊形模型。

（3）曲面階段

曲面階段是為了減少模型空間三角面片之間的棱角，使得多邊形模型表面更加光滑逼真。該階段主要利用曲面片擬合的方法，經(jīng)混合、過渡、連接三個過程創(chuàng)建成曲面模型來實(shí)現(xiàn)。

3.5 精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證本次三維激光掃描成果的質(zhì)量，在該異形建筑物上選取10 個特征點(diǎn)，分別用徠卡TCR402 免棱鏡全站儀測量出所有特征點(diǎn)坐標(biāo)，將其結(jié)果與在三維模型中量取的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 異形建筑三維模型精度統(tǒng)計(jì)表（單位：m）

從表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看出，10 個特征點(diǎn)的平面位置最大誤差為0.047m，高程最大誤差為0.037m，滿足《城市建設(shè)工程竣工測量成果規(guī)范》（CH/T 6001-2014）關(guān)于建筑物檢測點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不大于50mm、高程中誤差不大于40mm 的精度要求。

3.6 竣工測量專題圖繪制

根據(jù)建筑物竣工驗(yàn)收要求，繪制建筑物竣工測量專題圖是一項(xiàng)重要工作，項(xiàng)目組利用Cyclone 軟件的創(chuàng)建參考面功能截取建筑物截面和立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用CAD 軟件即可輕松實(shí)現(xiàn)竣工專題圖的繪制。將繪制的竣工圖與設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對比分析，就可以準(zhǔn)確地對竣工建筑物進(jìn)行驗(yàn)收。

4 結(jié)束語

利用三維激光掃描技術(shù)成功完成了某異形建筑的竣工測繪工作，該種作業(yè)方式具有高效快捷等特點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)證，其測量精度能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求，該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜、不規(guī)則的異形建筑竣工測繪中具有無可比擬的優(yōu)勢。應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：利用三維激光掃描技術(shù)難以獲取異形建筑物頂部的數(shù)據(jù)，而且其遇到掃描對象為玻璃幕墻等反射率較低的建筑材料時，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量不是非常理想[3]，相信隨著儀器的不斷升級以及相關(guān)軟件功能的不斷完善，以上問題都會得到解決，三維激光掃描技術(shù)在測繪領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。