測繪新技術(shù)在建筑工程規(guī)劃竣工測量中的應(yīng)用研究

摘要：針對當(dāng)前建筑工程規(guī)劃竣工測量精度較低，對建筑工程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展造成不利影響的問題，引入測繪新技術(shù)，開展對其在測量方法中的應(yīng)用研究。基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的現(xiàn)場影像采集，建筑工程規(guī)劃竣工輪廓測量與面積核算，提出一種新的測量方法。通過對比證明，新的測量方法測量精度更高，可實(shí)現(xiàn)對測量誤差的有效控制，將其控制到不會(huì)影響到測量精度的范圍內(nèi)，為后續(xù)建筑工程規(guī)劃工作開展提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：測繪新技術(shù)；規(guī)劃；應(yīng)用；測量；竣工

0" "引言

建筑工程項(xiàng)目高層化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、結(jié)構(gòu)異形化等趨勢，給其竣工測量工作的規(guī)范化實(shí)施帶來了較大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的建筑測繪技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化工程項(xiàng)目的發(fā)展需要，針對建筑工程項(xiàng)目的規(guī)劃與竣工測量技術(shù)開始向著數(shù)字化、現(xiàn)代化、智能化等方向發(fā)展[1]。將全景測繪技術(shù)與三維測量技術(shù)與建筑測繪工作進(jìn)行對接，不僅可以豐富測繪數(shù)據(jù)類型，提高測繪效率，還可以為工程驗(yàn)收方提供更加直觀、更加具體、更加形象的建筑施工成果。

1" "測繪新技術(shù)在建筑工程規(guī)劃竣工測量中的應(yīng)用

1.1" " 建筑工程規(guī)劃竣工區(qū)域三維激光掃描

為實(shí)現(xiàn)對建筑工程規(guī)劃竣工的測量，確保竣工成效符合設(shè)計(jì)階段各項(xiàng)要求，先完成對規(guī)劃區(qū)域內(nèi)三維激光的掃描。將掃描儀作為三維極坐標(biāo)的中心點(diǎn)，通過對三維激光發(fā)射裝置的光束水平方向和數(shù)值方向的角度以及測量對象到裝置之間的距離，實(shí)現(xiàn)對測點(diǎn)三維坐標(biāo)的測定[2]。每一個(gè)測點(diǎn)都可以在極坐標(biāo)當(dāng)中表示，同時(shí)也能夠獲取到測點(diǎn)的激光反射強(qiáng)度數(shù)值信息。在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，可將下述公式 作為轉(zhuǎn)換依據(jù)：

（1）

式中：x代表原始測點(diǎn)橫軸坐標(biāo)；y代表原始測點(diǎn)縱軸坐標(biāo)；z代表原始測點(diǎn)空間軸坐標(biāo)；r代表原始測點(diǎn)到中心點(diǎn)距離；φ代表原始測點(diǎn)與中心點(diǎn)連線與橫軸構(gòu)成的相位角；θ代表原始測點(diǎn)與中心點(diǎn)連線與縱軸構(gòu)成的相位角。利用上述公式，完成對測點(diǎn)從原始坐標(biāo)到三維極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換[3]。

完成對測站上假設(shè)掃描設(shè)備的選定后，利用軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對三維光掃描裝置對被測對象進(jìn)行掃描的實(shí)時(shí)控制，并獲取到實(shí)體數(shù)據(jù)信息[4]。完成對數(shù)據(jù)的采集后，還需對其進(jìn)行處理，將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中存在的粗差點(diǎn)去除，并對通過三維激光掃描獲取到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正處理。

1.2" " 基于四元數(shù)算法的點(diǎn)云配準(zhǔn)

利用三維激光掃描技術(shù)完成對建筑工程規(guī)劃竣工區(qū)域各個(gè)測點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集后，引入四元數(shù)算法，完成點(diǎn)云的配準(zhǔn)[5]。在對兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)時(shí)，需要確保存在一個(gè)相互重疊區(qū)域，同時(shí)還需完成在有標(biāo)靶和無標(biāo)靶情況下特征點(diǎn)云的配準(zhǔn)。圖1為測量區(qū)域與測量節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換示意圖。

按照圖1所示在兩個(gè)測站上對相同的測量區(qū)域進(jìn)行掃描，以此得到兩組不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過利用四元數(shù)算法，計(jì)算兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，并將兩個(gè)測量區(qū)域統(tǒng)一到一個(gè)相同坐標(biāo)系當(dāng)中[6]。假設(shè)在該坐標(biāo)系當(dāng)中存在某一點(diǎn)A，而在測站I坐標(biāo)系和測站II坐標(biāo)系當(dāng)中，三維坐標(biāo)可分別表示為（xn+1，yn+1，zn+1）和（xn，yn，zn），則在配準(zhǔn)的過程中，其過程可用下述公式表示：

（2）

式中，Rn+1代表旋轉(zhuǎn)矩陣表達(dá)式；Tn+1代表平移矩陣表達(dá)式。利用四元數(shù)算法，將兩個(gè)測點(diǎn)的坐標(biāo)系繞同一向量轉(zhuǎn)動(dòng)一次。在求解過程中，先對配電點(diǎn)集進(jìn)行中心化處理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造一個(gè)協(xié)方差矩陣和一個(gè)對稱矩陣，對特征值進(jìn)行分解，并完成對四元數(shù)的構(gòu)建。

1.3" " 基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的現(xiàn)場影像采集

完成對點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后，還需結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，完成對建筑工程規(guī)劃區(qū)域現(xiàn)場影像資料的采集[7]。圖2為現(xiàn)場影像采集具體流程。

無人機(jī)航飛之前，需結(jié)合建筑工程規(guī)劃竣工成果，計(jì)算飛機(jī)飛行作業(yè)的航攝因子，并對無人機(jī)的飛行路線進(jìn)行規(guī)劃[8]。在易受測區(qū)進(jìn)行航拍時(shí)，由于地形起伏的影響，尤其是在航拍范圍大、地形起伏明顯的航拍作業(yè)中，僅靠一架或兩架飛機(jī)已無法適應(yīng)測區(qū)的要求，因此合理的航攝區(qū)域劃分就顯得尤為重要。合理地劃分，既可以保證無人機(jī)的航拍和圖像處理效果達(dá)到要求，又可以減少飛行次數(shù)，縮短拍攝時(shí)間，節(jié)約人力和物力。

航空攝影分區(qū)是指按照航空攝影分區(qū)的基本原理，在已采集的地形圖或 DEM中，將攝影區(qū)分成多個(gè)航拍區(qū)，再按照由左至右、由上至下依次編號(hào)的方法。在劃分階段，由于地表分辨率、攝像機(jī)參數(shù)等基本保持不變，因此，對航空攝影區(qū)域的劃分主要是對地形的影響。地形起伏會(huì)影響航空攝影圖像的交疊程度，從而影響成像的準(zhǔn)確性，根據(jù)地形起伏情況，將航空攝影區(qū)域劃分為平地區(qū)域和山地區(qū)域。

所有的影像控制點(diǎn)都是在外場進(jìn)行測量的，而在一些地方，則是在外場進(jìn)行測量的。一般采用全現(xiàn)場布點(diǎn)進(jìn)行高精度、地形條件好、面積小的測繪，但在實(shí)際應(yīng)用中需要大量的外業(yè)作業(yè)。非完全現(xiàn)場布置是指只需測量很少的外部控制點(diǎn)，在室內(nèi)使用空間三加密技術(shù)，通過平差，得到各布點(diǎn)的平面及高度坐標(biāo)。

1.4" " 建筑工程規(guī)劃竣工輪廓測量與面積核算

對建筑工程規(guī)劃竣工測量現(xiàn)場影像信息的采集后，還需結(jié)合上述所有操作得到的信息，實(shí)現(xiàn)對建筑工程竣工輪廓的測量以及對面積的核算。

在進(jìn)行面積核算時(shí)，要考慮建筑總建筑面積、分棟建筑面積、各樓層建筑面積，并說明建筑的建筑功能。檢查建筑物的邊長，不能有任何沖突。整個(gè)建筑物的外框邊長和套內(nèi)軸邊長必須符合其幾何形狀的封閉幾何關(guān)系，各部分測量的邊長和與總邊長必須保持一致，對于因過多而造成的邊長差，必須先進(jìn)行配賦處理。此外，建筑面積的測量應(yīng)符合現(xiàn)行城市規(guī)劃部門的相關(guān)法規(guī)。

在編制地區(qū)地圖時(shí)，要注重建筑層次的劃分，并按照協(xié)議中圖層管理要求，明確范圍線的總建筑規(guī)模、范圍線的計(jì)算。可通過測量儀獲取建筑物各個(gè)特征點(diǎn)，并對特征點(diǎn)進(jìn)行連線，構(gòu)成的區(qū)域即為建筑工程規(guī)劃竣工測量區(qū)域，采用幾何面積計(jì)算的方式，即可得到建筑面積測量結(jié)果。將得到的結(jié)果與設(shè)計(jì)階段制定的設(shè)計(jì)方案中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此實(shí)現(xiàn)對建筑工程規(guī)劃竣工的測量，對建筑結(jié)構(gòu)偏差或建筑覆蓋范圍不合理等問題的測定。

2" "實(shí)證研究

2.1" " 項(xiàng)目概況

將某地區(qū)科研中心建筑作為研究實(shí)例，該項(xiàng)目所在地就有地理位置優(yōu)越的特點(diǎn)，是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)拓寬戰(zhàn)略中的重要工程項(xiàng)目。此建筑主要由兩個(gè)部分構(gòu)成，分別為科研綜合樓與展示樓，預(yù)期竣工后，該項(xiàng)目具有單體12棟建筑，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，該建筑的總占地面積為17.4萬m2。

科研綜合樓建筑的設(shè)計(jì)高度為175.2m。建筑的整體外觀采用弧線三角形設(shè)計(jì)形成，建筑主體結(jié)構(gòu)外部輪廓由復(fù)雜的曲線構(gòu)成，不同結(jié)構(gòu)層的輪廓曲線各不相同，建筑的曲率半徑隨著建筑層數(shù)的增加而呈現(xiàn)減少的趨勢；

廠房建筑整體采用倒弧設(shè)計(jì)，建筑中的外墻結(jié)構(gòu)由玻璃幕墻與金屬鋼筋支撐構(gòu)成，此種設(shè)計(jì)方式可以更好地凸顯建筑結(jié)構(gòu)外形曲線。該建筑中弧形結(jié)構(gòu)占總體建筑的80%以上，建筑內(nèi)部空間布局也較為復(fù)雜，因此使用原始的測量手段與測繪技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)對此建筑的高精度測量。

2.2" " 測繪技術(shù)線路設(shè)計(jì)

考慮到該建筑項(xiàng)目的穹頂最高點(diǎn)難以直接采用測量的方式得到數(shù)據(jù)，同時(shí)，建筑外墻上集中了大量的幕墻結(jié)構(gòu)，幕墻會(huì)在光線的折射下出現(xiàn)反光等方面的問題，影響測繪結(jié)果精度。加之該建筑的外形整體為弧狀，從而導(dǎo)致測繪過程中的外業(yè)數(shù)據(jù)采集難度較高。在綜合研究后，根據(jù)上文設(shè)計(jì)的內(nèi)容，提出以下的竣工測量步驟：

審核工程設(shè)計(jì)圖紙；設(shè)計(jì)現(xiàn)場控制測量方式；測量建筑工程項(xiàng)目所在空間內(nèi)的平面位置；自身長度尺寸等結(jié)構(gòu)性要素；測量建筑工程項(xiàng)目高度、高程高度等結(jié)構(gòu)性要素；對建筑物的面積進(jìn)行綜合測量與計(jì)算；根據(jù)建筑所在地的地形圖，繪制測繪圖紙；規(guī)劃并標(biāo)注測繪作業(yè)現(xiàn)場中不同設(shè)施與輔助性建筑結(jié)構(gòu)的空間位置；對建筑物的平面布局與空間布局進(jìn)行規(guī)劃測量；對比測量結(jié)果與技術(shù)性文件要求，評價(jià)測繪結(jié)果是否滿足需求。

2.3" " 測繪面積對比

參照《建設(shè)工程規(guī)劃許可證》，使用設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行此建筑的測繪。測繪過程中，掃描建筑結(jié)構(gòu)外形，確定建筑在測繪中的特征點(diǎn)，繪制建筑俯視圖，如圖3所示。

根據(jù)建筑俯視圖，進(jìn)行采集點(diǎn)位在建筑輪廓結(jié)構(gòu)中的擬合，如圖4所示。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布，圈定建筑有效測繪面積，進(jìn)行建筑測繪面積的核算。使用其他兩種測繪方法，對建筑面積進(jìn)行測繪，統(tǒng)計(jì)面積核算結(jié)果見表1。

2.4" " 測量高度對比

使用本文方法與傳統(tǒng)方法①、傳統(tǒng)方法②，進(jìn)行建筑竣工后高度的測量，統(tǒng)計(jì)高度測量核算結(jié)果，見表2。

3" "結(jié)論

對設(shè)計(jì)的測繪方法在實(shí)踐中的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，得到如下幾個(gè)方面的結(jié)論：

從表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法核算建筑工程竣工面積差值為13.64m2，傳統(tǒng)方法核算建筑工程竣工面積差值為17.79m2、15.21m2，即本文方法核算的建筑工程竣工面積差值最小，說明本文方法在實(shí)際應(yīng)用中對于建筑面積的核算精度更高。

從表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法核算建筑工程竣工規(guī)劃高度差值為0.08m，傳統(tǒng)方法核算建筑工程竣工規(guī)劃高度差值為2.08m、0.25m，即本文方法核算的建筑工程竣工規(guī)劃高度差值最小，說明本文方法在實(shí)際應(yīng)用中對于建筑高度的核算精度更高。

綜合上述兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了此次設(shè)計(jì)的方法可以有效提高建筑測繪精度，保證建筑工程項(xiàng)目測繪工作的實(shí)施具有規(guī)范化、高精度等優(yōu)勢。測繪新技術(shù)在工程中的應(yīng)用是具有較高經(jīng)濟(jì)效益的，滿足建筑工程項(xiàng)目竣工后的測量作業(yè)需求，為竣工規(guī)劃與后續(xù)相關(guān)工作的實(shí)施給予了較為直接的技術(shù)支持。

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