測繪新技術在建筑工程規劃竣工測量中的應用分析

任鑫磊

摘要：伴隨社會經濟快速發展，超高層建筑數量不斷增加，建筑材料、輪廓等給竣工測量工作提出了更高要求。信息技術快速發展，測量工作的新技術、新手段、新方法為建筑工程測量提供了數字化、智能化、多維化、動態化發展方向。文章客觀分析了CORS?技術在規劃竣工測量中的應用，以及三維激光掃描技術、無人機傾斜攝影測量技術在規劃竣工測量中的應用，包括工作原理、作業流程、規劃竣工測量應用的具體操作，并舉例說明測繪新技術在規劃竣工測量中的具體應用。其中CORS?技術可以提高控制點不測作業效率，提高測量控制的自動化程度，三維激光掃描技術可有效解決數據值采集困難及獲取數據效率低下問題，無人機傾斜攝影測量技術可以獲取正射影響及傾斜影響，提高數據采集效率。

關鍵詞：規劃竣工測量??CORS技術??三維激光掃描技術??無人機傾斜測量技

中圖分類號：K909????文獻標識碼：A

Analysis?of?the?Application?of?New?Surveying?and?Mapping?Technologies?in?the?Planning?Completion?Survey?of?Building?Engineering

REN?Xinlei

（China?Railway?Fifth?Survey?and?Design?Institute?Group?Co.，?Ltd.，Jinan，Shandong?Province，250100?China）

Abstract：?With?the?rapid?development?of?social?economy，?the?number?of?super?high-rise?buildings?is?increasing，?and?building?materials?and?contours?have?put?forward?higher?requirements?for?the?completion?survey.?With?the?rapid?development?of?information?technology，?the?new?technology，?new?means?and?new?methods?of?surveying?work?provide?a?digital，?intelligent，?multi-dimensional?and?dynamic?development?direction?for?building?engineering?survey.?This?paper?objectively?analyzes?the?application?of?CORS?technology?in?the?planning?completion?survey，?as?well?as?the?application?of?3D?laser?scanning?technology?and?UAV?tilt?photogrammetry?technology?in?the?planning?completion?survey，?including?the?working?principle，?operation?process，?and?the?specific?operation?for?the?planning?completion?survey，?and?gives?examples?to?explain?the?specific?application?of?new?mapping?technologies?in?the?planning?completion?survey.?Among?them，?CORS?technology?can?improve?the?efficiency?of?the?surveying?operation?of?control?points?and?improve?the?automation?degree?of?measurement?control，?3D?laser?scanning?technology?can?effectively?solve?the?problems?of?the?difficulty?of?data?value?acquisition?and?low?efficiency?of?data?acquisition，?and?UAV?tilt?photogrammetry?technology?can?obtain?the?orthographic?effect?and?tilt?effect?and?improve?the?efficiency?of?data?acquisition.

Key?Words：?Planning?completion?survey;?CORS?technology;?3D?laser?scanning?technology;?UAV?tilt?measurement?technology

建筑工程規劃竣工測量能夠檢驗工程施工現狀，對建設情況進行全面記錄，是城市規劃管理的關鍵程序，也是城市規劃監督及執法監察數據的基礎。當前建筑工程規劃竣工測量存在控制點布測未能實現自動化技術，影響作業效率，測繪技術人員獲取參數困難、不規則建筑物、異形建筑物數據獲取效率低、規劃竣工測量成果表達不具體、不直觀等問題。因此，城市建設工程要引入現代化測繪新技術，引用三維激光掃描技術、無人機傾斜攝影測量技術等，嚴格按照城市規劃部門要求，明確平面圖、紅線圖以及規劃界線與周邊建筑之間關系等，直觀了解城市規劃控制、建筑工程與周邊建筑物之間關系及土地使用情況。城市規劃部門要嚴格對照審批圖紙，對超面積建設、建筑移位等情況按照國家及行業法律法規做好相應的處置。

1?CORS技術在規劃竣工測量中的應用

1.1?CORS技術在規劃竣工測量中的作業模式

• 工作原理。CORS系統需要引用主輔站技術和Trimble虛擬基準站技術，虛擬基準站技術需要借助信息化技術，在數據通信線作用下，將收集到的數據信息傳輸至控制中心，省略了向用戶直接發送信息的步驟。虛擬基準站技術在開展業務前，需要構建數據處理中心，為數據信息高效傳遞搭建基礎。工作人員要科學預設基準站，精準計算軌道誤差、電離層和對流層之間數據誤差，并將各項參數整合匯總發送至移動站，對RTK網絡實現定位服務，保障測量精準度，用戶只需要借助GPS技術，在接收機端即可實現毫米級精度、厘米級定位。MAC技術一般以多頻和多個信號、基站、系統，運行過程中能夠實現非差分處理，應用過程中，技術人員挑選其中一個基準站作為測繪主站，通過信息化技術獲取測繪主站坐標，并計算出主站與其他基準站之間的坐標差，同時獲取改正數的變更與MAC技術優化區域改正值，運用先進技術使坐標數據更加精準[1]。第二，CORS網絡背景下RTK的竣工測量作業模式。建筑工程規劃竣工采用全站儀導線測量技術，可以布設首級控制網點，再布設加密與圖根控制點。導線測量受到多種因素影響，包括控制點密度、地形、精度、通視等情況，耗費大量人力、物力及時間。CORS網絡背景下RTK技術應用可不借助基準站，需要對流動站手簿設置，根據工作需要及時轉換參數，固定解后采集歷元應控制在10以下，平面精度保持在2?cm以下，高程精度保持在3?cm以下，PDOP保持在6.0以內。圖根點選點應避免在密集樓群，選擇空曠區域，需要同時接收5顆以上衛星，流動站才能保持正常觀測工作[2]。

1.2?CORS技術在建筑工程測繪中的作業流程

• 作業條件。為了確保規劃竣工測量中CORS技術有效應用，系統運行中，參考需要具備連續鎖定衛星，并確保GPS數據保持數據傳遞功能，參考站之間可以接受5顆以上衛星，系統可利用性達到95%以上，確保運行可靠性。參考站接收到信息請求后，能夠迅速提供網絡PTK改正數據，差分數據需要提供多種格式。流動站作業條件要保持正常接受無線數據，并在收到網絡改正數后，求得改正數的固定解[3]。第二，作業流程。第一，要進行衛星預報，編制預報表。第二，選擇并配置流動站，流動站應選擇空曠位置，測量前要設置參考站及流動站的通信模式及作業方式[4]。第三，初始化RTK測量采用靜態方式。第四，流動站觀測要查看測站信息，包括衛星信噪比、參考站數據中心與流動站之間的通信情況等，采用間隔、分時段觀測方式，兩次觀測成果差數小于3?cm，確保數據符合限差[5]。
• 1.3?CORS技術在建筑工程測繪中的精度分析

• CORS技術在工程規劃竣工測量中精度影響因素較多，其中有衛星星歷誤差、電離層及對流層延遲誤差、多路徑效應誤差、接收機位置誤差、接收機天線相位中心偏差。第二，竣工測量精度影響因素主要是信號質量與控制網點分布，其中控制網點分布有關的誤差與測區高等級控制點、控制點數量、測區范圍大小、觀測區地形等有直接關系。信號質量有關誤差包括衛星空間分布、流動站及基準站之間的距離、衛星信號被干擾程度等有之間關系。第三，竣工測量精度評定。測量精度評定需要做精度測試，包括內符合精度和外符合精度。其中內符合精度要設置采樣間隔，對測得的坐標信息在3個空間方向求算術平均值，并將測量結果與算術平均值做差，計算誤差改正數計算內符合精度。外符合精度測試需要使用流動站接收機設定采樣間隔，對測試點連續觀測[6]。

2?三維激光掃描技術在規劃竣工測量中的應用

2.1?三維激光掃描系統的作業流程

第一，工作原理。測量三維坐標獲得面陣列點云數據。每個點表示成極坐標或笛卡爾坐標，反射強度值信息。第二，工作流程。三維激光掃描工作流程首先要利用軟件平臺對被測對象掃描，獲取到實體數據信息。其次獲取到的數據剔除原始點云數據粗差點，并進一步實施幾何糾正，處理測站點云數據，將各站點數據文件拼接，并作為公共參照的標靶，實現掃描點云數據和影像數據定位并匹配，確保統一轉換到相同坐標系中。第三，三維建模。模型建立需要確保數據質量精準，并借助軟件對數據進行細節處理及鑲嵌。測繪數據輸出與評價環節是將數據處理為同一格式上傳至數據庫，根據數據用途，為建筑工程應用提供精準輸出，確保提高數據評價科學性與可靠性[7]。

2.2?三維激光掃描系統在建筑工程測繪過程中的精度影響因素

第一，三維激光掃描系統精度影響。三維激光掃描系統在掃描中難以控制外界環境，系統及隨機誤差逐漸增加也會適當增加3D模型誤差，對三維激光掃描技術精準性造成一定影響，其中掃描幾何條件、測繪物體屬性、測繪設施內部裝置等尤為重要。掃描幾何條件是掃描儀架設位置對角度、距離、點云密度等，對精度有一定影響，掃描物體屬性主要是反射物體表面的粗糙程度、輻射率、波長匹配度等，儀器內部裝置主要是考核掃描距離及分辨率。第二，掃描幾何條件對點云質量影響。測量儀器內部裝置參數直接影響工程規劃竣工測量質量，掃描幾何條件是對竣工測量精度的優化控制，包括入射角、掃描距離、光照強度等影響。掃描儀掃描物體時，激光光束垂直入射物體表面，當入射角度與激光距離服從正態分布，高斯射束能量服從正態分布。掃描儀與物體越遠，信號反射強度越低。如果高斯光入射角大于零，能量分布將會出現橢圓形狀。相同距離掃描角度增加，擬合平面中位數也隨之增加，表明數據處于點到擬合平面距離集上限占比較大。第三，光照強度對點云質量影響。工程規劃竣工測量需要對光照強度及點云質量因素做出分析，不斷優化掃描方案，其中光照強度較高環境下，一般架設掃描儀距離在20?m處，通過掃描木板獲取點云數據，分別取30?m、40?m數據，并對數據分別擬合，計算每組數據誤差，如果缺乏光照強度，會重新擬合點云數據。結果證實不同距離下點云擬合誤差與光照強度呈負相關關系，證實掃描點云質量不受弱光條件影響[8]。

2.3?四元數算法點云配準可行性分析

為了提高四元數算法點云配準，排除環境、位置、區域等因素影響，可以運用拼接方式“復原”物體，應建立點云模型，實行多站點拼接，優化拼接方案，避免出現誤差傳播，提高點云模型質量。首先，點云配準原理。多占拼接是改變掃描儀幾何位置，精確測量目標物體，對點云坐標進行旋轉和平移，使不同坐標系之間剛體轉換。點云級配準需要高精度配準及無標靶特征的點云配準，通過計算數據矩陣和平移矩陣，使測站點數據處于相同坐標系中。配準算法可以選擇應用六參數配準算法、四元數配準算法、ICP配準算法3種。其中四元數算法流程是需要配對點集重心化、構造協方差矩陣和對稱矩陣、對特征值分解并構建四元數，最后構建旋轉矩陣、計算平移向量。其中四元數算法電源配準誤差傳播模型包括兩站配準誤差傳播模型、多站配準的誤差傳播模型。四元數點云配準的算法及誤差傳播模型，能夠推導出兩站點云和多占配準誤差傳播規律，促進配準精度，為工程規劃竣工測量多站拼接提供參考依據[9]。

3?無人機傾斜攝影測量技術在規劃竣工測量中的應用

3.1?無人機傾斜攝影測量系統

建筑工程領域無人機傾斜攝影技術應用日趨成熟，可以提高測量精準性。第一，系統構成。該技術應用系統運行需要無人機飛行必備的平臺、測繪所需的數碼相機、導航控制系統、地面站、數據處理系統。第二，無人機傾斜攝影測量技術特征。無人機傾斜攝影不需要專業升降長度，影像分辨率較高，操作便捷，升空準備時間短，很少受到天氣情況影響[10]。

3.2?無人機傾斜攝影測量的作業流程與關鍵技術

3.2.1?無人機傾斜攝影測量作業流程

為測區踏勘與技術設計→航線規劃設計→航空攝影→數據質量檢查（受到航飛及影像質量影響較大）→影像畸變改正→像控點布設與測量→空三加密→模型處理（根據生成的DOM、DEM、DLG等編輯相應的產品）。

3.2.2?航線規劃設計

需要劃分航攝過程中應明確分區界限及圖廓線，嚴格控制分區地形高差，確保不超過1/6航高，如果高差出現變化，需要跨圖廓劃分航攝分區，分區內的景物反差及地形類別盡量與地貌類型保持一致，分區跨度要根據成圖比例，數據控三加密處理與像控點布點方案也應一并考慮。劃分拍攝分區，要考慮到無人機的安全距離與高度，避免對分區劃分及基準面造成影響。另外，還要確定攝影比例尺，根據測圖比例確定；航高設計需要根據作業任務的成圖比例尺；航速設計是確保無人機作業時放慢速度，保持影像清晰度；航線設計一般按照東西方向分型，精準計算航線首末攝站坐標，提高像點精度，航向覆蓋要超出2條基線；航攝時間確定應選擇晴天且透明度好的季節，選擇陽光充足，正午前后1?h航拍效果最佳。

3.2.3?外業數據采集

外業數據采集流程需要確定好航拍架次及順序，起降場地應選擇平坦無樹樁位置，仔細檢查動力系統、電力系統、路點狀態，并將航線設計導入無人機系統，按照預定航線起飛。當無人機飛到一定高度以后，需要按照規定航高設計航線，確保將航線數據存儲至系統內并傳輸至地面監控系統。地面人員要密切監控航高、航速、飛行軌跡，檢查影片數量和質量，如果出現數據異常，應及時更改飛行計劃。

3.2.4?像控點布設與施測

像控點布設應遵循聯測成平高點、按照航線在整個測區統一布設、在地面上設置明顯標記、像控點布設在相鄰航線之間重疊部位、像片邊緣不足1?cm的位置不設置控制點、盡量布設在標準位置上。布點方案包括航帶網法、區域網法等。

3.3?無人機傾斜攝影測量的精度影響因素

• 影像畸變誤差，包括鏡頭畸變差、外方位元素影響、地形起伏影響。第二，影像采集中誤差包括巡航速度引起的誤差、飛行質量引起的誤差。第三，像控點引起誤差包括布設方案引起誤差、像控點測量引起誤差、像控點刺點引起的誤差。第四，空三加密引起的誤差包括測量精度、像控點影像分辨率和像控點精度、平差計算精度。第五，內業立體量測引起的誤差。生產人員的技術水平、工作態度等干預影響，平面精度影響方面是否出現建筑物邊線誤差、影響質量是否存在陰影等，地貌線、地類界限像素、高程獲取的精準度。通過分析影響因素，為建設工程竣工測量精度提供參考與指導。

4?測繪新技術在規劃竣工測量中的應用實例

4.1?項目概況與作業依據

黑龍江省大慶市高新技術開發區建設大廈建設工程項目，由綜合樓與汽車城兩部分，建筑面積為16.2萬㎡，建筑造型采用流線型，項目建筑設計高度174?m，采用三角形設計，每層輪廓曲線不同，標準層向上逐層縮小，外墻運用玻璃幕墻和金屬幕墻，適應弧形曲線設計，弧形結構占建筑整體的80%，其中內連梁采用圓心控制的多曲線弧形梁，空間布局較為繁雜。作業依據需要根據國家《測繪作業人員安全規范》《城市測量規范》《測繪技術設計規定》《建設工程建筑面積計算規范》《測繪成果質量檢查與驗收》《數字測繪成果質量檢查與驗收》《建設工程規劃許可證》等。

4.2?技術路線及與工作流程

4.2.1?技術路線

根據建筑工程規劃竣工測量內容，需要對圖紙進行審核，控制測量，構建平面位置、長寬尺寸相關要素測量，構建高程、高度等相關要素，建筑面積測量與計算，對地形及其他附屬設施進行測繪，平面布局與其他規劃要素測量，與規劃指標對比及說明，結合我國現今工程測量施工經驗，構建技術流程方案。

4.2.2?工作流程

1. 施工作業前對已知控制點進行檢測，檢測已知平面位置，運用LeicaGS12型GPS接收機，架設三腳架，對該施工區域參數配置，建立觀測控制點應大于3個，觀測間隔時間應大于60S，GPS衛星數為5～10顆，間隔為1S，觀測歷元數不少于30個，誤差控制在1/10?000，做好現場的標志。竣工規劃測量平面控制起算點應參照鄰近城市，高程控制起算點應參照城市測量規范要求，高程控制測量需要符合線路，先行檢核高程的正確性。采用固定解進行結算，解算成果測回間平面坐標最大值為0.017?m，高程最大值較差0.027?m，平面點位精準度差異0.020?m，高程精度最大值為0.030?m，數據需要滿足國家及行業規范要求。作業人員要對控制點距離和左邊運用全站儀定向檢測，平面坐標分量最大差量值為0.019?m，實量邊長與反算邊長誤差應控制在1/10?000以內，符合技術設計書要求。
2. 高度測量。利用鋼尺、水準、激光測距儀三角高程、全站儀對邊、無人機低空攝影多種方式相結合的測量方式，對建筑物層高、樓高、室內坪進行測量。建筑物較高，測量過程中需要借助新技術，運用電磁波測距三角高程測量，無人機低空攝影、全站儀對邊測量，可以測量到建筑物高度。為了提高測量精準度，需要對變換儀器高測量兩次，兩次均值為最終測量結果。全站儀對邊測量要選擇最佳觀測角度，避免測站與目標間存在高差，提高測量精準度。無人機低空攝影測量要對相機檢校，并獲取高分辨率影像，采用航測方進行空三加密，生成實景三維模型，獲取該建筑物高度。
3. 輪廓測量與面積核算。應對建設用地科學規劃，保留建筑物周邊道路、配套設施、綠化用地，并記住圖中標注相關信息。在對建筑物面積核算時，應細化到每棟和分層，標注建筑功能。繪制面積圖要注意竣工建筑物分層圖形信息應按照約定涂層管理要求，明確建筑規模范圍線。

4.3?技術難點與創新

建筑結構施測難度最大的是穹頂最高點，采用變換儀器高法進行多余觀測，求得平均值，采用最佳觀測角度實施對邊測量，運用無人機傾斜攝影測量。建筑物輪廓提取復雜，全站儀可以擬合建筑物輪廓，實現逐層踩點，利用三維激光掃描點云技術獲取建筑物輪廓，無人機正射影響提取建筑物輪廓，數據處理效率低，數據入庫復雜。充分利用EPS2008，利用VBScript腳本開發提高作圖質量、效率。利用南方CASS?9.0進行二次開發，形成生產自動化解決方案——CASS竣工測量版。進行輔助軟件開發，提高工作效率。

5?結語

建筑工程結構追求新穎、獨特、建筑風格日趨復雜，新的測繪技術應用探索越來越被重視，文章分析了CORS技術、三維激光掃描技術、無人機傾斜攝影測量技術，總結了3種技術的工作原理和作業流程，并對精度影響因素進行全面闡述，并以黑龍江大慶高新區建筑為例，驗證了CORS技術、三維激光掃描技術、無人機傾斜攝影測量技術在具體測量作業中的實用性，為測繪新技術在建筑工程規劃測量中提供理論與實踐基礎。

參考文獻[1] 褚福俠，蔡大成，趙新童.無人機遙感技術在工程測量中的應用分析[J].科技創新與應用，2022，12（26）：186-189.