三維激光掃描在建筑規劃竣工測繪中的應用

陳小麗

摘要：三維激光掃描是新型測量技術，能夠應用到法律證據、工廠改造、古建筑保護等領域，應用效果顯著。但是在建筑規劃竣工測繪中，三維激光掃描技術的應用少。主要討論三維激光掃描法在建筑規劃竣工測繪中應用的相關問題，分析三維激光掃描法的應用效果，包括技術指標、關鍵技術等。分析三維激光掃描技術的應用效果，以供參考。

關鍵詞：三維激光掃描；建筑規劃；竣工測繪

一、前言

現代科技的快速發展，加快了三維激光掃描的發展速度，使其能夠有效應用于建筑規劃竣工測繪中，改善單點測量的不足與缺陷。在一定的時間要求下，三維激光掃描發射數十萬個點，通過點云方式，充分表達出三維空間形態[1]。利用高分辨成像技術，實現三維正射影像，表達出物體立體狀態，彌補傳統測繪的不足，能夠提升工作效率，加強應用質量。本文主要討論三維激光掃描法在建筑規劃竣工測繪中應用的相關問題，分析三維激光掃描法的應用效果，包括技術指標、關鍵技術等。

二、基本概述

（一）建筑規劃竣工測繪

在規劃竣工測繪中，涉及的測繪內容非常多，比如測量建筑的高度、繪制地形圖（1：500）、測量室內地坪。分析傳統的規劃測繪技術，多依賴水準儀、全站儀設備，測量二維平面，部分區域還要測量建筑高度、面積等[2]。現代經濟高速發展，增加了城市規劃與管理的內容，二維竣工圖很難呈現建筑全貌、地物關系等，越來越無法滿足撐死規劃、管理的要求。

（二）三維激光掃描

三維激光掃描，是一種全自動掃描技術，具備較高的準確性，收集物體的三維坐標、影像數據，屬于測繪領域的技術創新表現。相比GPS、全站儀技術，三維激光掃描能夠快速獲取數據信息，設置多個采樣點，避免測量點數據分析的片面性。相比近景攝影測量技術，盡管三維激光掃描技術無法構建連續三維模型，然而整體工作效率高，可以簡化數據處理工作，建立測繪的三維數據模型，應用前景廣闊[3]。

三維激光掃描具備原有測量技術的優勢，通過激光掃描設備，確保點云數據采集的高效性，不再出現大量的外業作業，開始轉變為內業作業，有助于縮短外業工作時間，減輕測量人員的工作壓力，整體工作效率大大提高。

（三）技術原理

在測繪行業中，三維激光掃描技術成為突破性技術，應用優勢顯著高于衛星定位技術，具備較高的技術效率、精度。如果無法獲取地物的特征點，則要使用三維激光掃描技術，保證三維坐標的準確度。激光掃描儀涉及激光測距系統、數據傳輸系統、顯示系統、電源供應系統，配置測距裝置，能夠獲取準確的點位距離。通過測角裝置，可以獲取水平角、垂直角度，計算點位三維坐標。利用激光掃描法，可以獲得點位信息，并形成點云[4]。在存儲點云時，主要存儲激光反射強度、色彩信息。

三、三維激光掃描在建筑規劃竣工測繪中的應用

（一）技術與圖件成果要求

建筑竣工測量，重點對建筑、附屬物平面位置進行測量，準確規劃界限距離、高程等。采集內容包括建筑平面、高程、位置、立面、分界線[5]。在圖件成果中，涉及建筑立面示意圖、竣工測量平面圖、三維模型。

（二）技術流程

繪制建筑竣工圖紙，建立三維模型，則要使用現有的技術方法，形成多個實施途徑。

第一，傳統外業測繪，需要采集地物點數據，聯合3Dmax軟件，建立三維地理信息。通過RTK、全站儀，測量全野外地物，同時測量建筑的外立面尺寸、高度等?，F場拍照建筑物，利用全站儀數據，繪制竣工平面圖，通過3Dmax軟件，建立測量數據、影像數據模型，繪制建筑立面圖。全站儀設備，很難提升測繪效率，且3Dmax的軟件操作復雜，整體效率低。

第二，無人機傾斜攝影，聯合DP-Modeler建立模型。使用此種方法時，以無人機開展傾斜攝影測量，生成傾斜數據。矢量采集傾斜數據，繪制竣工平面圖、立面圖。利用DP-Modeler軟件，加工處理傾斜攝影數據，建立三維模型。使用上述方法，可以減少操作時間，但是傾斜影像紋理質量低。在建模操作時，需要在影像圖內提取紋理。紋理畸變問題，會嚴重影響建筑的立面圖精度、三維模型質量。無人機航飛，要獲取相關部門批準，手續辦理時間長，要延長項目周期。

第三，采用激光三維掃描儀，采集點云數據，使用SketchUp建立模型。使用掃描技術時，需要搭配激光掃描儀，全方位采集點云數據。利用點云數據，保證矢量數據分析的科學性，繪制竣工平面圖。利用激光點云數據，導入到SketchUp軟件，建立三維模型，導出建筑立面圖。采用此種方法，提升數據采集效率，且建模軟件的操作難度小，能夠獲得較高的模型精度，生成完整的建筑立面圖。

上述所提及的方法措施，均在實際工作中得以檢驗，結果顯示，第三種方法的時間花費少、精度高度，且軟件、硬件的掌握難度低，可以作為推薦方法。

（三）外業工作流程

在外業工作中，要使用移動三維激光掃描儀，測量里程為100m，30萬個點/s，精度達到1—3cm。利用SLAM算法，確保數據的自動配對。通過SLAM技術，無須采用GNSS信號，工作環境的適應度高，不需要架設站點，能夠在無GNSS信號區域內掃描數據。在控制平臺上，實時顯示采集點云的范圍，形成一體化點云。然而在實際工作中，遵循SLAM算法原理，測試區的地物信息較多時，并且存在明顯差異時，此種方法的定位精度高。當地物特征比較少，且重復問題較多時，則會使定位精度下降。

在具體工作中，測區采用“最少路線覆蓋”原則，確保路線規劃的科學性。利用全站儀、RTK，合理布置控制點，掃描區域內的地表、外墻。在建筑物內部，則要沿著樓梯，對建筑局部、建筑頂部進行掃描。在掃描操作中，利用SLAM算法，保證點云數據的配準。利用單反相機、全景相機，拍攝建筑外部圖片，獲取紋理照片。

（四）三維激光掃描方案

不同地區具備明顯的特征差異，因此選擇掃描方案時，必須按照實際情況分析，聯合已控制的點分布特征。

1.坐標系掃描。掃描儀、靶標掃描時，均要放置在控制點位置，簡化掃描流程，保證掃描效率。通過業內數據，明確點云位置、方向。

2.碎部控制掃描法。此種方法的掃描儀，不能架設在已知控制點。外業采用常規測量法，獲取云中數據、信息，掌握三維坐標數據。內業使用各站同名碎部控制法，確保數據配額與定向。

3.靶標配準法：掃描操作時。無須控制在已知控制點，利用鄰近站點的靶標，明確鄰近站點的關系。在操作期間，選取少量碎部控制點。內業利用同名靶標球，可以實現鄰近站點的配準，從而明確點云的方向。

（五）配置與組裝掃描儀器

三維激光掃描掃描儀、設備，涉及發電機、靶標球、發電機、筆記本電腦。在使用設備和儀器時，為了架設、轉站外業儀器，項目人員實現自動化設計、生產，順利組裝推車，開展外業測量作業。

（六）數據處理

通過CloudCompare軟件，獲取設備的點云數據。點云數據處理之后，配準現有的控制點，促進坐標的相互轉換，獲取高程數據、坐標數據點云。配準操作中，必須使用完整的點云數據，嚴禁使用抽稀點云，保證配準的準確度。配準完成后，要開展點云去噪、點云抽稀操作，將測區外的飛點去除。點位抽稀結束后，選擇適宜的點數據。此次點位抽稀間隙為5cm。

點云數據處理之后，要使用EPS軟件，比如點云模塊、繪圖模塊。按照規范要求，繪制完整的竣工平面圖，包括建筑主體、地下室輪廓線、內部分界線。在平面圖內，還要標注附屬設施、配套設施、附屬用房的位置；明確周邊位置信息、建設場地信息等。

點云處理之后，通過特定插件，導入SketchUp軟件，建立三維模型。遵循點云，建立目標的特征點、線、面、三角網。利用三角網剖分，建立點云拓撲關系。遵照糾正后的影像招聘，將紋理映射添加到幾何模型中。紋理貼圖，則要使用實景照片制作法。紋理貼圖的格式，通常為PNG、JPG格式。在生產過程中，針對建筑物里面，則要遵循點云尺寸，包括裝飾物、女兒墻、屋檐、陽臺等。模型不能出現交叉點、廢點、漏縫問題，要確保結構、層數、里面、高度的相符度。在建立建筑模型時，要圍繞地形地貌、停車位、道路設施、綠化植被，建立對應的模型，準確反映出建設場地、周邊信息。

（七）精度分析

采集完點云數據后，合理應用全站儀設備，對點云數據、空間坐標進行校核。點云數據誤差為1cm，精度滿足竣工精度要求。

四、三維激光掃描在建筑規劃竣工測繪中的應用實例

（一）項目概況

此次試驗項目占地4萬平方米，包括住宅、幼兒園、配套商業建筑。項目周邊道路完善，未形成內部環境，導致被遮擋物比較少，因此要采用三維激光掃描開展竣工測繪。

（二）數據采集

項目通過自由設站點方式，全面采集點云數據。不同站點的重合度達標，通過采集公共地點物，可以拼接點云。不同箭鏃構成掃描閉合環，從而生成大的閉合網，建設60個站點，不同站點的時間為3min，總耗時90min。在項目四周設置控制點，粘貼打印標靶，掃描控制點，糾正點云數據的空間坐標。

（三）點云數據處理

外業采集的原始點云數據，傳入Cyclone軟件中，從而處理點云數據。軟件按照視覺追蹤技術，自動拼接多數站點。由于鄰近站點的缺乏公共點，因此采用人工拼接方式。下表為項目站點的拼接誤差，最大誤差達到0.015mm，最小誤差為0.005mm，拼接精度要求高。完成拼接操作后，導入外業控制點坐標，將點云模型校正到測量坐標系內，可以形成測量的點云數據。針對點云數據內的異常點、孤立點，要實行去噪處理，輸出反色率、坐標、色彩信息的格式點云數據，為EPS三維測圖提供使用。

（四）繪制竣工地形圖

點云數據經過數據轉換后，傳入到EPS三維測圖軟件中，測繪竣工地形圖。數據采集，包括建筑分層輪廓線、高程、地物特征點、高程標記點，同時注重與周邊環境的交接處理。軟件在二維窗口、三維創口相互切換，實現實時聯動，同步采集、編輯數據。與傳統切片處理模式相比，整體效率的改善效果佳。完成圖形編輯后，注重項目規劃控制紅線的疊加，添加工程圖廓，輸出DWG格式竣工地形圖，為項目提供使用。

（五）檢查成果精度

在對點云測圖精度進行檢驗時，通過TS02全站，實測建筑外角點坐標、建筑高程，比較檢查點、二維地形圖，從而獲得成果的精度統計信息，對三維點云測圖精度進行驗證。項目實地測量平面檢查點45個，高程檢查點15個，見表1和表2。通過數據可知，平面檢查點達到0.061m的偏差，中誤差為0.028m。高程檢查點達到0.03m的誤差，中誤差為0.024。平面、高程滿足地形圖（1 ： 500）精度要求。

五、結語

綜上所述，在現代技術支持下，研發出三維激光掃描技術，操作性、穩定性較高，所以成為主流測繪技術。該項技術的優勢，在于快速獲取三維信息。三維建模，可以整合點云數據、實景照片，全面呈現出建筑體，同時可以復制建筑的特征。對于竣工測繪數據，則要借助測量模型獲取數據，縮短外業測繪時間，增加信息承載量；同時，促進傳統測繪的內業模式變革，減少建模時間，縮短圖紙繪制時間，保障內業制圖的精度，成為先進的測繪方法。本文以具體測繪案例，探究三維激光掃描法的應用效果，證明該項技術具備較高的應用價值。

參考文獻

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作者單位：重慶市勘測院