三維激光掃描技術(shù)在房產(chǎn)測(cè)量中的運(yùn)用研究

胡曉麗 北京龍?zhí)┙?jīng)緯測(cè)繪有限公司

1 三維激光掃描測(cè)量

1.1 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3D 激光掃描技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代的高速定位技術(shù)，屬于GPS技術(shù)的一部分，是全自動(dòng)、高精度的立體掃描技術(shù)。借助新技術(shù)，3D 激光掃描技術(shù)定位精度高，自動(dòng)化程度高、點(diǎn)云采集速度快、全天候運(yùn)行、兼容性強(qiáng)、軟件功能齊全。該技術(shù)收集大量3D點(diǎn)，然后快速處理和形成目標(biāo)對(duì)象的3D 模型。同時(shí)，可以快速?gòu)?fù)制各種幾何數(shù)據(jù)，如對(duì)象的線條、沖浪、框架等。因此，3D激光掃描技術(shù)也被稱為“實(shí)時(shí)場(chǎng)景復(fù)制技術(shù)”。

3D激光掃描技術(shù)是結(jié)合各種技術(shù)獲得空間數(shù)據(jù)的新方法。由激光掃描模塊、圖像收集模塊、導(dǎo)航定位模塊、控制平臺(tái)、電源模塊等附件構(gòu)成。從3D激光掃描儀測(cè)量系統(tǒng)得到的原始數(shù)據(jù)被稱為點(diǎn)組數(shù)據(jù)。不是單個(gè)點(diǎn)，目標(biāo)物體表面上的點(diǎn)云可以同時(shí)掃描和收集。目前，三維激光掃描技術(shù)是一種快速發(fā)展的新技術(shù)，越來(lái)越多地應(yīng)用于測(cè)量和繪圖領(lǐng)域。

1.2 三維激光掃描測(cè)量原理

3D 激光掃描測(cè)量是非棱鏡和非接觸測(cè)量方法，可以迅速提供接地物體的空間位置，它的出現(xiàn)給其他測(cè)定方法帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜惡劣的環(huán)境，深受許多測(cè)量和測(cè)量研究人員的喜愛(ài)。不同掃描系統(tǒng)的測(cè)量原理幾乎相同，但定位過(guò)程不同。操作原理如下：首先，系統(tǒng)內(nèi)部的GPS裝置精確定位系統(tǒng)載波，IMU的第一個(gè)目標(biāo)是獲得操作員的原始位置處的準(zhǔn)確坐標(biāo)和位置。第二，激光脈沖發(fā)射激光信號(hào)并發(fā)射被測(cè)物體。在反射之后，接收器接收部分反射的激光脈沖信號(hào)。記錄器捕捉被攝體相對(duì)于激光掃描儀的角度和距離來(lái)記錄。同時(shí)，掃描系統(tǒng)的內(nèi)置設(shè)備GNSS和IMU被轉(zhuǎn)換成可直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)。使用激光脈沖連續(xù)掃描目標(biāo)物體，最后通過(guò)數(shù)據(jù)融合獲得目標(biāo)物體的精確三維點(diǎn)組數(shù)據(jù)。獲取的點(diǎn)組數(shù)據(jù)在辦公室中加以處理，創(chuàng)建目標(biāo)對(duì)象的3D模型。

2 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)分析

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為獲取空間三維信息提供了全新的技術(shù)途徑，也為測(cè)量信息的數(shù)字化發(fā)展提供了必要的生存條件。該系統(tǒng)的出現(xiàn)引發(fā)了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的新革命，引起了相關(guān)行業(yè)研究人員的廣泛關(guān)注。同時(shí)，研究方向和重點(diǎn)是激光掃描測(cè)量的定位方法和辦公數(shù)據(jù)處理的研究。三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，關(guān)鍵技術(shù)在于在野外數(shù)據(jù)采集中集成多種定位方法獲取點(diǎn)云，在辦公數(shù)據(jù)處理中利用精確的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法構(gòu)建高精度的三維點(diǎn)云模型。

2.1 融合定位

3D激光掃描測(cè)量系統(tǒng)不僅突破了傳統(tǒng)測(cè)量方法的單點(diǎn)定位的極限，而且通過(guò)各種定位方法的集成解決了不同場(chǎng)景中衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度的問(wèn)題。三維激光掃描系統(tǒng)配備GNSS 和IMU 定位系統(tǒng)，支持SLAM 算法等綜合定位技術(shù)，融合定位技術(shù)的主要任務(wù)是內(nèi)外連續(xù)定位。在以往的單點(diǎn)定位方式中，無(wú)論GNSS定位、IMU慣性導(dǎo)航定位、Slam技術(shù)如何，都不能無(wú)死角地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的室內(nèi)外定位。在露天點(diǎn)組數(shù)據(jù)收集中，融合定位是三維激光掃描系統(tǒng)的重要技術(shù)，可以解決不同場(chǎng)景中定位精度和長(zhǎng)期定位的困難，并且數(shù)據(jù)精度和時(shí)間可以顯著提高效率。

2.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)不僅是業(yè)界處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的第一步，也是決定點(diǎn)云模型精度的重要步驟。由于掃描區(qū)域大、特征多、環(huán)境復(fù)雜，必須使用算法對(duì)每個(gè)掃描獲得的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和注冊(cè)。因此，點(diǎn)組對(duì)準(zhǔn)是所有后續(xù)處理的基礎(chǔ)，對(duì)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響點(diǎn)組模型的精度。

3 三維激光掃描權(quán)籍測(cè)量?jī)?yōu)缺點(diǎn)分析

三維激光掃描技術(shù)在農(nóng)村所有制研究中的應(yīng)用，不僅可以減少野外研究對(duì)人力物力的需求，還可以充分滿足技術(shù)法規(guī)對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求，縮短工作周期，提高所有制研究的效率，為探索農(nóng)村房地產(chǎn)提供了一種新的技術(shù)方法。這個(gè)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）運(yùn)營(yíng)效率高。3D 激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集速度非常快。在點(diǎn)組數(shù)據(jù)中生成多個(gè)點(diǎn)，并使用相關(guān)的處理軟件在對(duì)象的3D實(shí)際場(chǎng)景模型中快速構(gòu)建點(diǎn)組數(shù)據(jù)。

（2）定位方式不同，精度高。3D激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的配置相對(duì)特殊。GNSS 天線和IMU 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在能夠同時(shí)接收GPS、GLONASS、伽利略、北斗等衛(wèi)星信號(hào)、支持北斗信號(hào)解決方案的系統(tǒng)中。

（3）收集多邊形數(shù)據(jù)。根據(jù)三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的配置特性，在水平方向上有350°的高速掃描，在垂直方向上有90°～270°的高速掃描。

當(dāng)然，三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)也存在以下幾個(gè)方面的短板問(wèn)題。

（1）設(shè)備昂貴。3D 激光掃描系統(tǒng)是非常昂貴的硬件和軟件，使用系統(tǒng)時(shí)，必須保證設(shè)備的安全性。

（2）操作技術(shù)難度高。根據(jù)上述三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的操作流程，該方法復(fù)雜而詳細(xì)，并且對(duì)測(cè)量者有高技術(shù)要求。

（3）數(shù)據(jù)量多，對(duì)設(shè)備性能要求高。3D激光掃描測(cè)量系統(tǒng)使用高清晰度照相機(jī)收集表面點(diǎn)組數(shù)據(jù)，并收集紋理圖像。激光頭每秒收集60 萬(wàn)個(gè)3D 點(diǎn)組數(shù)據(jù)和高清像素進(jìn)行拍攝，隨著掃描區(qū)域的增加，數(shù)據(jù)量也增加。另外，系統(tǒng)下載的數(shù)據(jù)很難共享，只能用專業(yè)軟件處理。為了生成數(shù)字結(jié)果，對(duì)大數(shù)據(jù)處理和設(shè)備構(gòu)成的要求高。

4 三維激光測(cè)量技術(shù)在建設(shè)工程施工階段中的應(yīng)用

4.1 某市金融大廈鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)以東的國(guó)際貿(mào)易和金融中心，毗鄰濕地公園，地理優(yōu)越，總高度138m，由兩個(gè)記錄塔組成。頂層有空氣通道，形成了“門”形狀的建筑。其中，南北兩棟26～30層的超高級(jí)甲級(jí)辦公樓采用統(tǒng)一鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，上部有空中城的走廊，所以正確的設(shè)置很重要。廊，停止升降機(jī)，靜置24h。

第二，24h 后，檢查各點(diǎn)臨時(shí)措施是否正常。確認(rèn)后，繼續(xù)總同步升級(jí)。

第三，將鋼廊提升到設(shè)計(jì)高度以下約200mm，降低泵站頻率，降低升降速度，使網(wǎng)格位置正確。

第四，安裝主幀的嵌入部件，焊接對(duì)應(yīng)的位置，實(shí)體化鋼廊的主框架和兩側(cè)的交叉支撐結(jié)構(gòu)，將上層結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)支撐焊接在固定鋼廊上。

4.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線

建筑激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)取得主要包括以下步驟。

第一步，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形特征臨時(shí)確定測(cè)定系統(tǒng)，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)定取得掃描的施工現(xiàn)場(chǎng)。另外，還需要調(diào)查是否從一個(gè)地方得到有關(guān)特征的完整信息。

第二步，確保掃描參數(shù)（例如掃描精度和三腳架掃描距離）與實(shí)際掃描位置對(duì)準(zhǔn)。

第三步，開始掃描，直到所有站點(diǎn)掃描為止。

4.2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

國(guó)貿(mào)大廈走廊鋼結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)42m、寬26m、高25m的立方體結(jié)構(gòu)，26 座記錄塔，地板有四個(gè)角，一共有八個(gè)角。

4.2.2 數(shù)據(jù)采集

不管國(guó)際貿(mào)易大廈的走廊結(jié)構(gòu)能否正確焊接，最重要的是要獲得大樓物理空間的準(zhǔn)確位置信息。進(jìn)程如下：（1）根據(jù)場(chǎng)所的地形和地形合理設(shè)計(jì)掃描場(chǎng)所；（2）是否需要多個(gè)網(wǎng)站；（3）必須多次架站靶球；（4）直接加戰(zhàn)；（5）根據(jù)位置條件設(shè)定掃描參數(shù)；（6）掃描；（7）取下儀器。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.3.1 二維線劃圖的勾勒

首先，使用Farsecene 軟件預(yù)處理高層建筑中的激光點(diǎn)組數(shù)據(jù)。導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，根據(jù)野外作業(yè)中的目標(biāo)球的垂直位置，在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)球，進(jìn)行拼接、降低噪聲，并根據(jù)其導(dǎo)出所需的頂層數(shù)據(jù)、底部鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、懸掛通道撓度數(shù)據(jù)。接著，使用HD?Modelling 處理點(diǎn)組數(shù)據(jù)，從公寓的角點(diǎn)提取線數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。

將字段云數(shù)據(jù)導(dǎo)入HDMV，重新定義新的點(diǎn)組坐標(biāo)系。由于高樓大廈走廊的墻壁、垂直的墻壁和車站的下面與該平面一致，所以建筑物的坐標(biāo)原點(diǎn)和空間坐標(biāo)系由3 個(gè)共線決定，點(diǎn)組數(shù)據(jù)用HDModel?ling軟件進(jìn)行渲染，從而后續(xù)的高距離圖和測(cè)量站的數(shù)據(jù)收集更準(zhǔn)確可靠。

另外，HDModelling 軟件中，通過(guò)指定左視圖，可以獲得北部建筑上部車站的原始點(diǎn)群數(shù)據(jù)。然后，使用2D線繪制指令，可以提取南北2層上部的輪廓，在南北2層的立面上標(biāo)記各站的左右距離和高度。

用HDModelling 軟件從高樓大廈提取數(shù)據(jù)，不僅南北建筑的高度，還可獲得兩層各對(duì)角線的位置。南部建筑的左上角為1，下角為2，收集的角數(shù)據(jù)為中心。

4.3.2 獲取鋼廊道的撓度

如圖1所示，通過(guò)三維激光掃描獲得的鋼結(jié)構(gòu)所有點(diǎn)組數(shù)據(jù)，包括走廊的鋼結(jié)構(gòu)、四層空間結(jié)構(gòu)和上層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并為后期走廊的正確焊接提供數(shù)據(jù)保障。接下來(lái)，通過(guò)掃描整個(gè)國(guó)際貿(mào)易大廈，獲得了整個(gè)點(diǎn)組數(shù)據(jù)，這也為進(jìn)一步的建模和模擬分析提供了良好的基礎(chǔ)。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通過(guò)在整個(gè)走廊預(yù)計(jì)器中獲得的點(diǎn)組，可以從點(diǎn)組數(shù)據(jù)精確地獲得撓性變形。最后，走廊最大撓度集中在結(jié)構(gòu)中心，最大值7.3mm，滿足施工吊付標(biāo)準(zhǔn)，走廊鋼結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度滿足要求，具有良好的穩(wěn)定性。

4.3.3 成果分析

使用3D激光掃描儀從各種建筑物收集數(shù)據(jù)具有高速、高精度和低風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)點(diǎn)。這次可以從國(guó)際貿(mào)易金融中心，南北走廊，南北大樓的高距離數(shù)據(jù)中調(diào)查3D 激光器的高速掃描結(jié)果。同時(shí)，國(guó)際貿(mào)易和金融中心南北建筑的一角是鋼結(jié)構(gòu)正確安裝的基礎(chǔ)，南北方向建筑物的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)和走廊很重要。從3D激光掃描和測(cè)量站數(shù)據(jù)的比較中，發(fā)現(xiàn)3D激光器具有高精度，完全滿足了施工和懸掛的要求。同時(shí)，為建設(shè)部門的具體實(shí)施提供高質(zhì)量保障的信息。與傳統(tǒng)的全局測(cè)量結(jié)果相比，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以提供鋼結(jié)構(gòu)的撓度數(shù)據(jù)，是否達(dá)到了一定的穩(wěn)定性，是否滿足了全局測(cè)量測(cè)定所不能得到的建筑基準(zhǔn)的要求。此外，獲得的激光多云數(shù)據(jù)還為鋼結(jié)構(gòu)模型的重構(gòu)提供了原始數(shù)據(jù)，提供了分析不同風(fēng)環(huán)境下模型變形的依據(jù)，確保了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.4 成果總結(jié)

通過(guò)ITC 金融中心的高空鋼結(jié)構(gòu)走廊吊掛和連接成型測(cè)量項(xiàng)目，充分體現(xiàn)了三維激光測(cè)量技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)吊掛階段起到很大的輔助作用，比傳統(tǒng)測(cè)量更出色。

這個(gè)可以從三個(gè)優(yōu)點(diǎn)分析。（1）數(shù)據(jù)精度高。空間幾何數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)誤差很小，根據(jù)不同觀測(cè)區(qū)域的要求，精度可以達(dá)到毫米級(jí)。（2）運(yùn)用效率高。使用3D 激光測(cè)量技術(shù)獲得了幾何信息，大大提高了工作效率。3D激光測(cè)量技術(shù)可以快速、高效、無(wú)接觸地實(shí)現(xiàn)除了常規(guī)測(cè)量?jī)x器之外，難以人工到達(dá)的地理位置和局部位置。另外，使用3D 激光測(cè)量技術(shù)的數(shù)據(jù)收集，可以不受照明時(shí)間的影響而在晝夜進(jìn)行。（3）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可靠性。3D激光測(cè)量技術(shù)拒絕了對(duì)人眼焦點(diǎn)的觀察，并且防止了由于用戶準(zhǔn)備長(zhǎng)時(shí)間觀察而引起的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以我市國(guó)際貿(mào)易金融建筑鋼結(jié)構(gòu)懸掛研究項(xiàng)目Farsece、CAD2013 HDModelling for cad 2013、Autodesk 3dsmax2012 等軟件為例，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)群數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)表達(dá)、數(shù)據(jù)截?cái)嗪统槿〉纫幌盗泄δ堋?shù)據(jù)整理分析、立面圖繪制、三維建模效果顯示等，最終制作適合建筑工程的二維和三維數(shù)字化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)建筑工程的三維數(shù)據(jù)結(jié)果。簡(jiǎn)而言之，這次設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)將地面的三維激光測(cè)量技術(shù)，應(yīng)用于建筑工程管理來(lái)說(shuō)明其優(yōu)越性和應(yīng)用方法，詳細(xì)展示建筑工程各階段點(diǎn)群數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)和結(jié)果，協(xié)助各種軟件的完成和改造。