移動三維激光掃描儀在建筑工程不動產測繪中的應用

李 通 劉廣彬 密興剛 鄒 昂 宋忠強 王宇光

(濟南市勘察測繪研究院, 山東 濟南 250013)

0 引言

不動產(俗稱房地產)是指具有權屬性質的地塊和其地上建筑物的總稱。不動產測繪主要包括地籍調查、地籍測繪、房產測繪、面積量算以及變更測量等內容。在不動產登記過程中,房產測繪數據的掛接是其重要工作內容之一。房產測繪的主要目的是獲取房屋和樓幢的分層平面數據、分戶平面數據及按照相應規則劃分的各個房屋基本單元的面積數據。房產測繪又包括房產實測繪和房產預測繪,其中房產預測繪依據設計施工圖紙即可完成測量數據采集,而房產實測繪需要對竣工后的現狀房屋進行外業實測來獲取房屋內各空間各基本單元及共有建筑部位的邊長等相關數據。傳統的房產實測繪方法是采用激光測距儀進行數據采集,存在外業人員數量多、采集數據時間長、特征邊長數據易遺漏、無法準確測量異形建筑等缺點。

移動手持式三維激光掃描儀是近年來激光掃描儀及定位定姿設備集成和小型化的典型產品。掃描儀在未知環境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位,同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖,以實現掃描儀的自主定位和導航[1]。手持三維激光掃描儀具有速度快、精度高、體積小、重量輕、攜帶方便、外業數據采集時只需一人手持等優點。本文以建筑工程房產實測繪為例,介紹GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀在房產實測繪中的技術流程和方法,并與傳統的測量方法進行精度和效率對比。

1 原理與技術方法

1.1 工作原理

GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀是一款使用簡單、智能且專業的手持式新型三維激光掃描儀,主要由掃描手柄、數據記錄儀、電源倉、連接手柄和記錄儀的數據線及相關數據處理軟件組成。該設備以即時定位與地圖構建技術(simultaneous localization and mapping,SLAM)為核心,通過自身內置的傳感器結合外部傳感器對自身進行位置修正和環境地圖構建,可以在無全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)信號的環境下獲取動態測量數據和周邊三維空間點云信息,并進行三維點云的自動化拼接,實現對小空間及大空間進行高精度高效率的掃描作業[2]。

1.2 技術方法

1.2.1測量的主要內容

建筑工程房產實測繪是對獲得規劃核實證后的建筑單體進行據實量測,檢核現場建筑單體的房屋布局、墻體尺寸等是否與規劃圖紙或圖審圖紙一致,并對這些數據進行處理,進而獲取各建筑單體房屋的基本單元面積、用途及分層分戶平面圖,作為不動產登記的基礎測繪數據。

1.2.2測量的技術流程

結合不動產測繪的生產實際,利用GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀進行建筑工程房產實測繪,主要包括現場踏勘、選擇起始掃描點、采集數據、點云處理等工作流程,如圖1所示。外業采集數據時,因手持移動測量系統不需要架站,也就不需要設計測站位置,只需根據建筑平面圖等資料及現場情況規劃一條測量路線,考慮到移動掃描系統移動過程中通過不斷建立優化前端和后端的空間約束關系來實現姿態調整和構圖,在規劃路線時要注意所經過房屋空間的特征復雜度和行進姿態的穩定,沿著測量線路完成點云的掃描和自動拼接。點云數據處理時首先對點云數據進行壓縮,提高后期數據處理的效率,然后進行點云配準,將多次掃描的點云數據進行拼接,再根據各建筑部件點云高度及現場拍攝的照片進行去噪,將無用的點云信息比如門、電線等裁剪掉,然后再進行重采樣、切片等流程。內業編輯時,通過格式轉換,在切片平面上提取墻體要素點,進行墻體線擬合生成墻體實測邊線。

圖1 主要流程

1.2.3墻體邊界擬合

手持三維激光掃描儀獲取的數據為三維點云數據,直接使用會導致數據處理效率降低。在房產測繪中,高程數據作為無關信息可通過將三維數據向XOY平面投影來剔除,進而獲取二維點云信息。為獲取較優的目標平面,方便墻體邊界的提取,首先需要進行房屋內部點云平面的粗略提取,即根據所采集點云數據的最大高度值Zmax和房屋內部其他部位點云平面的最大高度值Z的差值d,剔除現場雜物數據,只保留地面、頂板、墻體、門窗等平面點云數據;然后根據地面及頂板的各自高度差值Wdiff剔除地面和頂板數據;接著進行墻體平面點云數據的精提取,即利用墻面的最大高度值Pmax及門窗的最大高度值Lmax與點云數據的最大高度值Zmax的差值的差異性,提取出精確的墻面點云數據;最后將精確的墻面點云數據進行切片并投影到XOY平面獲取房屋所有墻面的二維點云數據。

經過上述步驟獲得的墻面二維點云邊界規則簡單,為精確獲取墻體的輪廓邊界,可直接采用隨機抽樣一致算法(random sample consensus,RANSAC)對墻面二維點云數據進行直線擬合。RANSAC直線擬合算法具有較強的穩健性,可剔除粗差異常值,適用于大部分的直線擬合場景,如點云數據處理等。該算法的實質為假設和檢驗：假設隨機采樣數據都為內點,利用隨機采樣數據計算模型參數;通過其他點對估計的模型參數進行檢驗,根據設定的距離閾值K,求取包含內點數量最多的直線模型[3]。利用RANSAC算法求解直線幾何參數的過程為：①輸入直線數據;②計算所需采樣次數n;③模型假設階段：隨機選取兩個二維點求解直線模型,然后計算采樣剩余集到該直線的距離;④根據設定的閾值判斷余集點是否為內點;⑤根據第④步的結果計算內部點的數量;⑥判斷迭代次數是否小于n,若小于,返回第③步,否則進行下一步;⑦選著包含內部點最多的集合;⑧重新計算直線模型參數。

2 實例研究

2.1 項目概況

本文以濟南市歷城區二環東路以東、環湖路以西華山片區某住宅樓地下室為例,利用GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀進行不動產實地測繪。經實地踏勘及相關資料分析,該建筑單體已完成規劃竣工核實,現場房間緊湊、開門情況、雜物情況良好,便于手持三維激光掃描儀量測。

2.2外業數據采集

啟動掃描儀進行作業前,首先對現場進行踏勘,并對現場情況進行拍照留存,方便后期的內業點云去噪處理;然后規劃各單次掃描路線,標記掃描起始點,規劃路線時需要考慮掃描儀本身的性能(測程范圍、最大仰角及保持測量精準度的單次掃描時間),確保建筑墻體面在測程范圍和仰角包含角度內,同時需要保證前后兩次掃描的區域具有一定的重疊度,單次掃描時間控制在300 s以內;為提高點云數據配準的精度,按照規劃路線單次掃描完畢后,回到現場標記的起始點,完成各單次閉路掃描。

2.3 點云數據處理

2.3.1點云數據壓縮

三維激光掃描儀掃描目標物所獲取的點云數據量一般比較大,而對于建筑物室內空間場所的掃描,獲取的數據量更大。為提高后期點云數據處理的效率和精度,本文采用組合的點云壓縮算法[4],即首先利用包圍盒算法對點云進行不均勻分割,然后在各分割區內再利用基于曲率的壓縮算法進行數據壓縮。通過設置不同的閾值來實現點云數據不同程度的壓縮。圖2展示了點云精簡前后的對比效果。

圖2 點云數據壓縮前后密度對比(Cyclone俯視圖)

2.3.2點云配準

目前常用的點云配準方法包括基于點云的配準和基于目標的配準[5]。基于點云的配準即根據掃描重疊區域同名點進行配準拼接,將不同參考坐標系下的點云統一到同一坐標系統下;基于目標的配準則是通過掃描賦有實際地理坐標的靶標,將完成拼接后的點云整體配準,完成點云的絕對地理坐標轉換。房產測繪中根據空間墻體之間的相對位置關系即可完成房屋尺寸的量取,故數據處理時只需利用Trimble Realworks軟件自動完成基于點云的配準,無須進行絕對坐標轉換。配準后的點云數據如圖3所示。

圖3 配準后的點云

2.3.3點云去噪及重采樣

在利用手持三維激光掃描儀對房屋內部進行掃描時,不可避免地會將門窗、人體、堆積雜物、電線、天花板、相鄰無關建筑部位等噪聲記錄下,影響墻體邊線提取的精度。為此,在進行墻體切片前需要采用Trimble Realworks軟件的“高度階化色彩”工具將不同高度的房屋內部建筑構件進行高度色彩顯示,然后結合現場照片和各構件點云平面的高度以及之間的高度差將門窗、雜物、天花板等信息裁剪掉,并對墻體周邊的噪聲采用單點少量去噪,最大限度地保留所測建筑單體的墻體結構特征。

采用分階段拼接掃描,采集的點云數據量一般比較大且密集,在各階段重疊區域內會產生數據冗余,而進行墻體邊線擬合時并非點云越密精度越高,為提高后期數據處理的效率和精度,需要利用Trimble Realworks軟件重采樣工具將點云數據進行抽稀。去噪后的墻體三維特征信息如圖4所示。

圖4 去噪后的墻體特征信息

2.3.4點云切片

準確獲取房屋的室內墻體截面信息是進行墻體邊線擬合的基礎。將去噪后的las格式點云數據導入Cyclone軟件,在軟件中調出XY參考面,并對該參考面的網格大小等參數進行設置,通過切片沿法線方向的升降工具將XY參考面定位到某一墻體高度位置,然后設置切片的厚度參數,完成點云切片。

2.4 墻體邊線擬合

基于切片的二維點云數據,采用RANSAC直線擬合算法對墻體邊界線特征進行擬合,提取墻體的輪廓線。由于采集的墻體特征點不一定嚴格地位于現場墻體邊線上,導致擬合的各墻體邊線不能規范化相交,需要采用自適應的強制正交規則化算法[6]對擬合的墻體邊線進行規范化的調整,恢復墻體之間垂直等相交關系。二維點云數據直線擬合后的墻體輪廓如圖5所示。

圖5 房屋實測平面圖

2.5 精度及效率分析

(1)精度分析。為了驗證手持三維激光掃描儀方法的可靠性,將墻體二維點云數據擬合后的平面邊長數據與Leica DISTOTMX4手持式激光測距儀所測的邊長數據進行對比。隨機選取10條邊進行對比誤差分析,分析結果見表1。

表1 邊長尺寸對比 單位：m

由建筑物邊長中誤差公式計算可得,建筑物邊長中誤差為0.021 m,建筑物間距滿足《房產測量規范》(GB/T 17986—2000)精度要求。

(2)效率分析。與傳統的手持測距儀測量方法相比,本項目外業數據采集時間明顯縮短,測量用時約600 s,而傳統作業方法用時約1 200 s;外業人員投入明顯減少,新方法只需1人手持儀器即可完成外業掃描,而傳統作業方法需要2人,其中1人測量,1人在外業草圖上記錄數據。內業數據處理方面,點云數據處理和內業編輯共用時約1 800 s,共需1人;傳統內業處理(根據外業草圖校對及繪圖)用時約1 500 s,共需1人。根據作業人員人數統計總體作業時間,明顯手持三維激光掃描儀作業效率更高些。

3 結束語

本文利用手持三維激光掃描儀對建筑工程不動產實測繪進行了試驗,并與傳統的作業進行了精度及效率對比。研究結果表明：手持三維激光掃描儀外業采集數據自動化程度高,外業人員投入少,提高了作業效率;在測量精度方面,能夠滿足相關規范要求,可以作為新的測繪方法用于不動產測繪實際生產中;同時,可以獲得豐富的三維點云數據,為后期不動產三維建模提供數據支撐。隨著手持三維激光掃描儀的測程及測量精度的進一步提升,該設備的應用前景會更加廣闊。