Trimble X7三維激光掃描儀在建筑工程竣工測量中的應(yīng)用

摘要：為促進建筑工程竣工測量精度提高，引入Trimble X7三維激光掃描儀，開展對其測量方法的設(shè)計研究。首先，完成測量標(biāo)靶布設(shè)與測點規(guī)劃；其次，利用Trimble X7三維激光掃描儀對各個測點的點云數(shù)據(jù)進行掃描和拼接；最后完成建筑工程竣工內(nèi)業(yè)編輯與地形圖測繪。通過對比兩種測量方法的實際應(yīng)用效果得出，新的測量方法無論是在測量精度上，還是在測量效率上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法，具備更高應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：Trimble X7；激光；建筑工程；竣工；掃描儀；三維

0" "引言

竣工測量是建筑工程項目竣工階段不可忽視的關(guān)鍵步驟與必要環(huán)節(jié)，可以將測量的結(jié)果作為建筑工程項目質(zhì)量驗收與成果核查的核心參照依據(jù)。傳統(tǒng)的測量方法大多為全站儀測量，此種測量方法屬于外業(yè)人工測量，在實際應(yīng)用中存在作業(yè)時間長、測量工作量大、特征點標(biāo)記易遺忘等問題，同時由于測量的結(jié)果數(shù)據(jù)較為單一，經(jīng)常出現(xiàn)測量成果數(shù)據(jù)缺失、無法實現(xiàn)對工程全面化描述的問題[1]。與此同時，隨著三維激光掃描技術(shù)的盛行，傳統(tǒng)的測量方法逐漸被淘汰，以三維激光掃描技術(shù)為代表的多種技術(shù)方案開始在工程領(lǐng)域內(nèi)推廣，本文以Trimble X7型號的掃描儀器為例展開研究。

1" "Trimble X7三維激光掃描儀應(yīng)用

1.1" " 測量標(biāo)靶布設(shè)與測點規(guī)劃

為實現(xiàn)對建筑工程竣工的測量，引入Trimble X7三維激光掃描儀，以利用這一掃描儀的精度優(yōu)勢。在開展外業(yè)前，首先需要完成對測量標(biāo)靶的布設(shè)，以為后續(xù)絕對坐標(biāo)的配準(zhǔn)提供重要條件[2]。在這一過程中，根據(jù)建筑工程建設(shè)規(guī)模可設(shè)置6～10個標(biāo)靶節(jié)點，并將Trimble X7三維激光掃描儀設(shè)置在各個標(biāo)靶節(jié)點上，對節(jié)點的三維坐標(biāo)進行測量[3]。再對布設(shè)的各個標(biāo)靶節(jié)點的控制點和導(dǎo)線點進行聯(lián)測，以此既能確保測量區(qū)域內(nèi)各個控制點相對位置的準(zhǔn)確性，同時又能夠滿足Trimble X7三維激光掃描儀的測繪要求，使測量的大數(shù)據(jù)具備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

在完成對測量表標(biāo)靶的布設(shè)后，對各個測點進行規(guī)劃。為確保建筑工程項目地上結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)的同步測定，保證外業(yè)掃描過程中不會出現(xiàn)死角未測量或點云數(shù)據(jù)未重疊等問題，可設(shè)置25～30個測點，將各個測點均勻地分布在建筑物的周圍，如圖1所示。

按照圖1所示的測點規(guī)劃方案，利用Trimble X7三維激光掃描儀實現(xiàn)對其各個測點掃描。為確保后續(xù)測量精度，Trimble X7三維激光掃描儀選擇掃描距離應(yīng)在80～100m范圍內(nèi)，視場為360°×292°，測距精度為1mm，3D點精度為1.5mm@10m，掃描儀單張照片像素為3840×2746。

1.2" " 基于Trimble X7三維激光掃描儀的掃描與拼接

1.2.1" nbsp;觀測方法

在完成對被測量建筑工程的測量標(biāo)靶布設(shè)和對測點的規(guī)劃后，引入Trimble X7三維激光掃描儀，完成對測量區(qū)域內(nèi)所需測量信息的掃描和拼接。根據(jù)布置的測點，針對工程現(xiàn)場實際情況，提出了一種基于低密度、中密度點云的觀測方法，并在多個控制點上對目標(biāo)進行了掃描[4]。

在提取物體的中心位置時，要把測量的坐標(biāo)變換成絕對坐標(biāo)[5]。在轉(zhuǎn)化的過程中，可將下述公式作為重要依據(jù)，其中絕對坐標(biāo)體系中橫軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

（1）

上式中：xp代表某一點p轉(zhuǎn)換后的橫軸坐標(biāo)；Xp代表某一點p轉(zhuǎn)換前的原始橫軸坐標(biāo)；Xo代表點o轉(zhuǎn)換后的橫軸坐標(biāo)；Yp代表某一點p原始縱軸坐標(biāo)；代表已知某一點o原始縱軸坐標(biāo)；Yo代表方位角。絕對坐標(biāo)體系中縱軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

（2）

上式中：yp代表某一點p在絕對坐標(biāo)系中縱軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。按照上述公式，完成對所有測點位置在絕對坐標(biāo)體系當(dāng)中的轉(zhuǎn)換。

1.2.2" "掃描注意事項

在實際進行掃描的過程中還應(yīng)當(dāng)遵循以下幾點原則：第一，掃描所選擇的控制點應(yīng)當(dāng)保證完全覆蓋整個測量區(qū)域；若直接選擇將GNSS點作為控制點，則需要進行聯(lián)測操作，確保測點位置的相對精度；第二，相鄰兩個測點之間的連接都是基于最近點間迭代匹配和優(yōu)化而來，相鄰測點數(shù)據(jù)的重疊度至少應(yīng)當(dāng)為30%，最大可為50%。對于各個測點上獲取到的點云數(shù)據(jù)，對其進行拼接實質(zhì)是將點云數(shù)據(jù)形成一個閉環(huán)，在部分具有條件區(qū)域內(nèi)還可形成多個環(huán)路[6]。

在具體進行點云拼接時，可按照下述步驟完成。第一步，選擇點云拼接數(shù)據(jù)所在的文件，并創(chuàng)建一個新的文件，將其命名為Registraiton of JZGCJG；第二步，打開拼接窗口，將Scan World導(dǎo)入到拼接窗口當(dāng)中；第三步，拼接各個測點掃描得到的Scan World，顯示拼接誤差并凍結(jié)當(dāng)前拼接點云數(shù)據(jù)。

1.2.3" "數(shù)據(jù)預(yù)處理

完成掃描與拼接后，針對獲取到的測量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。選用TBC軟件作為預(yù)處理軟件，在軟件當(dāng)中完成對點云數(shù)據(jù)噪聲和空洞的去除，并將冗余點云數(shù)據(jù)刪除[7]。通過TBC軟件當(dāng)中具備的配準(zhǔn)功能，將點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到對應(yīng)空間坐標(biāo)系當(dāng)中。通過對點云數(shù)據(jù)進行分類的方式，確定各個點云數(shù)據(jù)對應(yīng)的被測量對象，包括建筑物、地面、植被、電線桿等。

1.3" " 建筑工程竣工內(nèi)業(yè)編輯與地形圖測繪

在完成上述操作后，仍然利用上述TBC軟件自帶的功能對各個專題內(nèi)的要素進行采集。在這一過程中，可按照測量數(shù)據(jù)對建筑物外輪廓線進行切片處理，并得到如圖2所示的基本結(jié)構(gòu)圖。

同時，通過對點云數(shù)據(jù)的處理，還可獲取到建筑的立面結(jié)構(gòu)。將經(jīng)過處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BIM軟件當(dāng)中，針對其格式進行轉(zhuǎn)化，并生成RCP格式的工程文件[8]。將該工程文件附著在AutoCAD軟件中，完成對工程建筑立面結(jié)構(gòu)的繪制，如圖3所示。將得到的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維模型，與通過設(shè)計圖紙導(dǎo)出的建筑工程設(shè)計模型對比，根據(jù)對比結(jié)果，對竣工后存在的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差或缺陷問題進行測量。

2" "實驗

2.1" " Trimble X7三維激光掃描儀原理

使用Trimble X7掃描儀器，對某個已竣工的建筑工程項目進行現(xiàn)場掃描。選用的儀器設(shè)備是一款操作便捷、智能化程度高的新型激光設(shè)備，該設(shè)備由掃描探頭、支撐三腳架、可移動接收終端、處理器、計算機系統(tǒng)、電子系統(tǒng)等構(gòu)成，設(shè)備在使用中，具有數(shù)據(jù)主動采集、整平、高精度配準(zhǔn)等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)不間斷、不停機地進行外業(yè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場圖像采集捕捉。

在測量過程中，使用Trimble X7向被測建筑結(jié)構(gòu)發(fā)射大量的激光信號。此信號在觸碰到結(jié)構(gòu)表面后將發(fā)生折射，接收端收到反射或折射的信號后，可進行信號的采集與整理，從而生成大批量的點云數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)通過不同的測站進行配準(zhǔn)與自動拼接，將拼接后的線、面進行重構(gòu)，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)實體模型構(gòu)建。

使用Trimble X7測量時，應(yīng)明確實體結(jié)構(gòu)對象的測量與校驗工作內(nèi)容。根據(jù)建筑竣工結(jié)算需求，設(shè)計測繪項目，具體包括建筑占地面積、竣工后建筑所在地的地形圖、建筑結(jié)構(gòu)主要點位的坐標(biāo)與高程、外立面高程、建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)高度、基礎(chǔ)面（零層）結(jié)構(gòu)高程等。明確測量內(nèi)容后，設(shè)計Trimble X7的工藝流程，如圖4所示。

2.2" " 測量建筑結(jié)構(gòu)概況

以某地區(qū)建筑項目為例，概述此建筑的結(jié)構(gòu)概況，如表1所示。

測量前，進行Trimble X7的校準(zhǔn)處理，并根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需求，進行儀器作業(yè)參數(shù)的設(shè)計，如表2所示。

2.4" " 測量結(jié)果精度分析與測量作業(yè)效率分析

將《城市測量規(guī)范》文件作為Trimble X7現(xiàn)場作業(yè)的參照文件，根據(jù)文件對建筑竣工測量的要求，明確測量結(jié)果中主要地面建筑物的測量精度應(yīng)lt;5cm，次要地面建筑物的測量精度應(yīng)lt;7cm，建筑高程測量精度應(yīng)lt;4cm。使用Trimble X7進行建筑測量，對比測量結(jié)果精度是否在《城市測量規(guī)范》文件允許范圍內(nèi)。測量結(jié)果精度統(tǒng)計如表3所示。

在相同的測點，使用本文設(shè)計的方法與傳統(tǒng)的方法進行外業(yè)測量。統(tǒng)計測量結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，使用本文設(shè)計的測量方法進行現(xiàn)場測量，測量用時為1～2h。使用傳統(tǒng)的方法進行現(xiàn)場測量，測量用時大約為3～5h。從現(xiàn)場作業(yè)時間層面統(tǒng)計可知，本文測量方法的用時更短，即現(xiàn)場應(yīng)用效果更佳。

在進一步進行本文方法的研究時發(fā)現(xiàn)，本文方法測量后需要統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行點云轉(zhuǎn)換、映射，并在后期使用CAD等輔助性軟件得到地形圖、平面圖、俯視圖與立面圖，后續(xù)操作較為復(fù)雜，會浪費較多的時間。但通過后期一系列的處理，可以得到更加豐富的場地數(shù)據(jù)，為工程竣工驗收與綜合布置設(shè)計提供更加全面的數(shù)據(jù)。因此，也可以認為該方法的應(yīng)用，真正彌補了傳統(tǒng)方法的不足。

3" "結(jié)論

為減少建筑工程項目竣工測量的任務(wù)量、勞動量，提高測量工作的效率，本文開展了此次設(shè)計與研究，得出如下幾個結(jié)論：

從實驗結(jié)果數(shù)據(jù)中可知，Trimble X7現(xiàn)測量結(jié)果精度在《城市測量規(guī)范》文件允許范圍內(nèi)，即該方法的實踐應(yīng)用符合竣工測量現(xiàn)場作業(yè)需求。本文方法的現(xiàn)場測量用時較短，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。后期處理數(shù)據(jù)的耗時較高，但可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)單一問題的彌補。因此，無論從任意一個角度分析，此次設(shè)計的方法優(yōu)勢都是十分顯著的。

參考文獻

[1] 熊劍飛，王扉，林宇輝，等.車載三維激光掃描技術(shù)在道路竣工測量中的應(yīng)用[J].河南科技，2022，41（1）：29-32.

[2] 王福麗，韋鋮，紀(jì)海英，等.低空無人機傾斜攝影測量在城區(qū)綜合竣工測量中的應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2022，13（4）：150-151.

[3] 余章蓉，王友昆，潘俊華，等.Trimble X7三維激光掃描儀在建筑工程竣工測量中的應(yīng)用[J].測繪通報，2021（4）：160-163.

[4] 葛文，井發(fā)明，徐長虹，等.自由設(shè)站法在地鐵竣工測量中的應(yīng)用研究[J].地理空間信息，2021，19（10）：65-68+150.

[5] 謝宏全，張鎮(zhèn)，王嘉楠，等.激光點云數(shù)據(jù)在異形建筑物竣工測量中的應(yīng)用[J].江蘇海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，29（1）：67-70.

[6] 林祥峰，牟會芬，徐玉臻，等.無人機傾斜攝影測量技術(shù)在規(guī)劃竣工測量中的有效應(yīng)用[J].城市建筑，2020，17（15）：120-121.

[7] 梁士英，蘇循波.提升建筑工程地下管線竣工測量成果質(zhì)量探討——以青島市為例[J].城建檔案，2020（7）：54-56.

[8] 王恒.傾斜攝影測量技術(shù)在竣工測量地形圖中的應(yīng)用研究[J].測繪與空間地理信息，2020，43（10）：188-190+194.