三維激光掃描在建筑規劃竣工測繪中的應用

譚睿

（貴陽市測繪院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

三維激光掃描是一種可以迅速獲得地物高精度三維信息的全新技術，相比以往的數字測量方式，其可以更加全面、迅速的獲得捕捉目標三新信息的特征，另外具有諸多優勢，比如高精度高、高效率、成本低等。在建筑工程領域當中，竣工測量是一項非常關鍵的工序，主要是在完成建筑施工后，全方位測量建筑物，包含了樓體層高、建筑物和四周關系、四周規劃道路等。許多地區的竣工測量都已經將CAD 平面測量作為主要方式，其可以給管理人員提供有價值的信息數據，但在城市建筑持續發展下，這樣的方式已經滿足不了竣工測量的要求。本文結合建筑規劃竣工測繪中運用三維激光掃描技術的具體狀況進行分析，具體如下。

1 建筑規劃竣工測繪概述

建筑規劃中的竣工測繪工作包含了很多方面的方面，比如測量建筑物高度、繪制1:500 的地形圖和測量室內地坪等。根據過去的規劃測繪模式來分析，通常都是利用水準儀配合全站儀等設備完成的，當中涉及了測量二維平面，部分地區還添加了測量面積、樓高等數據，但是隨著社會經濟的飛速發展，促使城市規劃管理的內容越來越多，以往的二維竣工圖已無法將建筑物的具體形狀、建筑物和周圍物、地間的聯系等全方位展現出來，無法精準提供建筑物風格等關鍵因素，難以切實有效符合規劃管理的具體需求[1]。

2 三維激光掃描概述

三維激光掃描是一項全自動掃描的技術，精準性高，可以在較短的時間里獲取物體表面的影像數據以及連續三維坐標，對比，此技術也被叫做實景復制技術，其是測繪領域技術領域的一次革新。相比GPS 測量技術和全站儀，三維激光掃描技術具備很高的信息獲取率，并且采樣點數多，能夠全方位避免以往的測量點信息應力分析中出現的局限性、片面性等不足，具體來講，就是可以更好的處理以點帶面分析的問題。對比近景攝影測量技術，雖說此項技術無法創建持續三維模型，但是它具有很高的作業效率，信息處理操作也十分簡便，能夠在短時間內建立測繪的三維模型，具有十分廣泛的應用前景和發展空間。因為激光掃描中的三維數字化測量技術主要是基于以往的測量技術演變而成的，通過激光掃描儀，能夠高效的獲取點云數據，將外業活動轉變成內業活動，大大縮短了外業工作時間，除此之外，還可以更好的降低工作強度，有助于持續有效的提升工作效率。

3 建筑竣工測量存在的常見問題

因為現代建筑具有復雜性特點，所以導致竣工測量工作極易發生各種問題，具體如下：①一些控制點難以實現測量作業。導致出現這一問題的原因主要是，在城市建設期間會發生的道路修建、人為破壞等情況，甚至會出現嚴重損壞控制點位置的問題，所以促使竣工測量的難度大大增加。②測量技術無法順應社會發展，難以滿足現代建筑竣工測量的具體要求。以往的竣工測量技術主要是把棱鏡當成輔助工具，但是許多建筑物結構無法符合棱鏡的安裝位置，在這樣的狀況下測量人員沒有辦法全方位開展竣工測量作業，導致測量結果科學性不強。③以往的測量方式在完成工作之后要在圖紙上繪制出測量結果，但圖紙只能呈現出二維機構，無法讓相關人員更加直觀的了解建筑物的基礎情況，尤其是復雜性較高的建筑物。④現階段，很多建筑物都不再是單一固定的形狀，時常出現一些不規則的形狀，所以導致竣工測量作業變得越來越困難，對于以往的測量技術一次只能獲得單個參數來說，需測量很多次才可以完成對形狀不規則建筑物的測量，使測量工作變得很復雜并增加了作業量。

4 三維激光掃描技術

4.1 儀器及軟件

項目部分的重點工作人員使用RIEGLVZ-400 型號的激光掃描儀，其是一種具備極高精度的儀器。在進行掃描工作的時候，通?？刂茠呙杈嚯x大約在30~160m，掃描范圍是垂直角度100°乘以水平角度360°。當前我國新研發出一項點云數據綜合處理平臺技術，也叫做點云處理軟件。此項技術主要是對于海量級別的城市，利用點云適應簡化方法進行計算，同時創建三維激光點云多分辨率結構，外存點云存取體系，結合GPU 硬件，能夠全方位推進此項技術的應用，同時還可以達到還量點云的動態化渲染，實現高效的索引機構技術。高效性的搜索引擎和點云管理等技術，可以積極有效的改善海量點云技術在使用期間出現的各種問題，比如三維精細建模、自適應抽稀以及高精度自動配準等等。通過與點云模型的測圖要素智能化提取、三維空間量測等技術進行結合，能夠對軟件技術進行持續優化，并且完成我們國家常用測圖技術的集成與銜接[2]。

4.2 優勢

三維激光掃描技術可以測量所有環境下的建筑物體，不管復雜性多高，都可以不直接接觸被測建筑，迅速獲得建筑物體的三維坐標信息，信息具有很高的精準度和密度，此項技術具備的優勢能夠給現代城市的建筑竣工測量作業提供強有力的支持和保障，切實有效的提升了后續建筑竣工測量的效果和質量。

4.3 原理

三維激光掃描系統是通過便攜電腦、數碼相機、掃描儀和軟件平臺等部分組成，另外還包含了部分附件設備。當中掃描儀是一種主要的傳感器，在實際掃描建筑物的時候，首先應利用控制平臺的激光脈沖二極管發射信號，然后再通過的轉棱鏡的發射到目標上，探測器收到反射信號之后在記錄器上進行記錄，再轉換處理獲取的信息數據，完成處理工作之后輸送至控制平臺中完成建模。在具體操作過程中，一般在設置的控制點放置掃描儀，后視點放置靶標球，對附近建筑獲取的點云具備和控制點坐標相應的距離、方位角以及高低角進行掃描，然后再通過坐標換算獲取點云所有控制點和掃描點坐標系相應的三維空間坐標。

4.4 流程

在實際進行三維激光掃描測量的過程中，應嚴格根據下面的流程開展：首先是控制測量。把控制點當成三維激光的掃描點，另外在此基礎上配置掃描獲得的信息數據，從而保證系信息都可以被安排到相對的坐標系下。其次是野外激光掃描。在實際進行野外激光掃描的過程中需要設計好方案，以此防止遭到信號被障礙物遮的情況，防止發生掃描漏洞。最后是處理竣工數據。此項工作主要是把獲得的信息數通過云數據進行云數據、創建模型、點云配準，然后對平面圖的測繪、距離和面積等信息進行計算。三維激光掃描技術不但具備數量大、測量快速等優勢，還具有良好的可靠性與真實性，尤其是在對不規則與結構復雜的建筑物進行測量的時候，其能夠體現出更大的優勢，全方位提升了測量工作的質量和效率。

4.5 三維激光掃描方案

由于各個地區都存在相應的差異性，在選取掃描方案的時候需要結合實際狀況進行分析，應和已經控制好的點分布特征狀況進行全方位結合。首先是坐標系掃描法。靶標和掃描儀在掃描期間都能夠直接放在設計好的控制點位置，有助于減少掃描程序，提升工作效率，內業利用已經獲得的信息數據，對點云的方向與位置進行確定。其次是碎部控制掃描法。這樣方式的掃描儀在掃描期間不需要放置在設計好的控制點位置，外業僅需使用基礎測量方法獲得云中的有關信息，從而獲得三維坐標的準確位置。內業能夠直接使用各個測站間的同名碎部控制，實現對有關信息的定向以及額配準。最后是靶標配準法。在掃描期間不需要放置在設計好的控制點位置，利用兩個臨近測站超過四個的靶標，對兩個臨近測站之間的位置關系進行確定，在具體操作期間僅需獲取較少的碎部控制點。內業利用同名靶標球實現標準匹配相鄰站點云，能夠對整體點云的方向進行直接確定。利用測量測區內衛星信號的弱感以及強感的方式，能夠在測量區周圍觀察到具體的控制點狀況、測量區的實際范圍，能夠結合以上各種內容與因素，建立時效性較強的方案，從而更好的達到簡化操作流程、減少外出作業時間、點云數據全面等需求[3]。

4.6 數據處理和成果制作

數據處理與成果制作包含以下兩個方面。

（1）處理初步點云數據。通過商業軟件技術，根據有關流程實現精準配準對點云數據，在具體操作期間，為了更好的符合二維成圖的具體設計需求，獲取全新的設計觀念，需要對點云信息實施抽稀以及合并處理。抽稀以及合并軟件是我國研發出的一種全新技術，是現階段使用范圍比較廣泛的一項技術，并且獲得了十分理想的運用效果。

（2）制作成果資料。結合已經繪制好的二維測區地形圖，針對建筑規劃的規劃審批材料、許可證附圖等內容，設計出具備實效性的竣工測繪總平面圖、1:500 套紅線地形圖以及竣工測量規劃復核圖等，能夠對建筑工程及其周圍的具體狀況進行確定，以此給后續有關工作的順利進行提供良好的條件。

5 三維激光掃描在建筑竣工測量中的應用

5.1 獲取外業數據

要想獲得外業工作的信息數據，就必須要架設測站，但是因為被測建筑物有有很多的被測面，所以，需要架設好幾個測站才可以實現采集數據。但是把好幾個測站的信息數據整個到一個坐標系里，需要臨近的兩個測站重合位置的特定反射參照點，把它當成拼接臨近測站信息數據的依據。通常狀況下，需要大概六個這種特定的反射參照點，而測量測站位置的控制點坐標需要利用實時動態載波相位差分技術（Real-time kinematic,RTK)來實現。

5.2 測量數據預處理

測量數據的預處理包括以下兩個步驟。

（1）修補點云和去噪。在進行三維激光掃描時獲得的初始點云信息可能存有很多的空洞以及噪音，導致初始點云質量不理想，所有需要對其進行修補和去噪處理。通常先消除很大的噪音，然后再進行充分去噪同時進行交互式修補。

（2）信息配準。因為采集信息數據的方法存在一定差異，所以信息配準工作也不一樣，主要包括后視定向配準與站站間配準兩個。當中站站間配準需要先進行粗配，可以通過同名特征點的方式進行，此方式適合用于同名特征顯著的點，所以最少需要4 個同名點，并且需要盡可能選取尖銳的地物點。另外是人工交互式移動測站，將沒有配準的測站移至已經配準測站的相對位置，其標準為自動精度匹配。粗配完成之后通過軟件進行自動精準精配，從而提升配準的精確度，只有控制誤差不超過0.01m 才可以進行下一站配準。而后視定向配準主要是對初始測站通過靶標進行配準，在后視定向配準模塊中輸入靶標與測站的坐標后進行配準，對整個點云信息的全局坐標進行明確[4]。

5.3 建模

三維建模主要是把大量離散的三維空間點轉換為集中的三維模型的過程，以此將被掃描物體的空間形態精準的體現出來。通常使用擬合的形式構建三維模型，擬合點云的時候應選取固定位置的點云信息，然后再進行切割、延展以及對齊，最后對單元模型的材質和顏色進行合理編輯，以此加強模型的三維效果。

5.4 繪制立面圖

在驗收建筑物的過程中，對其竣工立面圖進行充分核對是一項十分關鍵的內容，對比竣工立面圖和施工企業提供的立面圖，可以清楚的觀察到立面圖的具體尺寸與相關標準是否相符。先使用軟件投影點云數據三維模型的主立面，然后再嘗試進行量測，將繪圖交換文件進行輸出，導入CAD 軟件，利用規劃管理工程模板和數碼相機獲得的高清圖片，詳細繪制立面線劃圖。在建筑竣工測量中運用三維激光掃描技術的根本目的主要是創建目標物體的三維模型同時獲取斷面圖，落實好測量和計算面積等工作[5]。

6 結語

根據以上論述可知，隨著各種科技的快速發展，出現了三維激光掃描這種全新的技術，給諸多行業的建設和發展營造了有利的條件。三維激光掃描技術突破了以往測量技術的限制，很好的減少了施工時間，提升了作業效率，能夠給建筑單位節約很多財力、物力以及人力。因為此項技術具有良好的特性，所以其在建筑竣工測量中應用能夠獲得顯著的優勢。為了保證三維激光掃描技術在建筑規劃測繪行業中的廣泛運用，促進建筑領域的穩定發展，有關單位應積極學習和引進國內外各種先進技術，同時對其開展更加深層次的研究。