三維激光掃描儀在多測合一項目中的應用

彭維祥

（漳州市測繪設計研究院，福建 漳州 363000）

隨著國家“放管服”改革的重大決策的實施，《國務院辦公廳關(guān)于全面開展工程建設項目審批制度改革的實施意見》（國辦發(fā)〔2019〕11號）明確指出“多測合一”制度的實施方向。在漳州市區(qū)，規(guī)劃核實測量已整合綠地測量和地下管線測量，而用地復核測量和人防測量是可利用規(guī)劃核實測量中的數(shù)據(jù)進行完成。此階段的“多測合一”主要任務則是實現(xiàn)規(guī)劃核實測量與不動產(chǎn)測繪完成同一標的物只測一次的目的。隨著多測合一的實行，以及漳州市相關(guān)審批部門對規(guī)劃核實測量成果中建筑物的分層平面圖提出了新的要求，需要在分層平面圖上增加內(nèi)、外部墻體及柱體的繪制。隨著測量要求及內(nèi)容的增加和政策的推進，如何快速高效地進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，繪制更高精度的成果圖已成為當前的研究的熱門。

當下“多測合一”項目中大多采用GNSS-RTK配合全站儀測繪以及結(jié)合無人機輔助測量的方法，此方法受作業(yè)環(huán)境影響較大，數(shù)據(jù)采集效率低等局限性。相較于傳統(tǒng)的作業(yè)方式，三維激光掃描點云實景技術(shù)以其全要素高精度、高分辨率、高效率采集的特點，能夠滿足“多測合一”項目的技術(shù)和時限要求，文章將結(jié)合具體實例闡述三維激光掃描儀結(jié)合傳統(tǒng)測量方式在“多測合一”項目中的具體應用。

1 基本概述

1.1 背景介紹

規(guī)劃核實測量工作內(nèi)容包括竣工總平面圖測繪、面積測算、建筑高度測算、建筑間距測算、建筑退讓紅線距離測算、主要技術(shù)經(jīng)濟指標測算和規(guī)劃比對等內(nèi)容；房屋的不動產(chǎn)測繪包含不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查、房屋調(diào)查、房產(chǎn)測繪等內(nèi)容。這兩項測繪任務基本屬于所有測繪任務中最后兩項，隨著“多測合一”改革的推進，越來越多的規(guī)劃核實測量與動產(chǎn)測繪被一同委托。

在這兩項測繪任務中，都存在建筑物的測繪，同時根據(jù)國家規(guī)程及地方要求，對于建筑物的測量要求大致相同，高效率、高精度的完成建筑物的測量成為當前任務的重點。而三維激光掃描儀正好能滿足這些要求，本次將三維激光掃描儀應用于具體項目中，詳細介紹建筑物測繪的流程，通過實驗數(shù)據(jù)從而更好地了解其在“多測合一”項目中的表現(xiàn)。

1.2 項目概況

該幢建筑物屬于某新建項目，總規(guī)劃用地面積約5 490 m2，該幢建筑物面積約5 300 m2。由于是剛建好的建筑物，測區(qū)內(nèi)主要以建筑物、內(nèi)部道路以及部分低矮綠化植被為主，場區(qū)不存在高大遮擋物，測量條件較好，比較適合三維激光掃描儀進行測量。同時該建筑物存在地下室，地上建筑隔間較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，一、二、三層結(jié)構(gòu)均不相同，三、四層結(jié)構(gòu)類似，能更好地驗證三維激光掃描儀的效果。

1.3 設備簡介

此次采用FARO FocusS 350進行數(shù)據(jù)采集，它是一款高速三維激光掃描儀，適用于詳細的測量和文件記錄，采用激光技術(shù)，能夠在幾分鐘內(nèi)為復雜的環(huán)境和幾何圖形制作出細節(jié)豐富的三維圖像。它的工作原理是將紅外線激光束射到旋轉(zhuǎn)光學鏡的中心。該光學鏡將使激光光束在圍繞掃描環(huán)境垂直旋轉(zhuǎn)的方向上產(chǎn)生偏差；之后將周圍對象的散射光反射回掃描儀。在測量距離時，激光掃描儀采用相位偏移技術(shù)，在該技術(shù)中，從掃描儀持續(xù)向外投射不同波長的紅外光。當接觸到對象后，會反射回到掃描儀。通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準確判斷掃描儀到對象的距離。借助特殊的調(diào)制技術(shù)，HYPERMODULATIONTM可大幅提高調(diào)制信號的信噪比。之后，通過使用角度編碼器測量的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，計算各點的 x、 y、 z 坐標。

2 作業(yè)流程

作業(yè)流程可分為：前期踏勘規(guī)劃、控制測量、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)點云處理、要素提取和成果繪制輸出。

2.1 前期踏勘規(guī)劃

在接到任務后，根據(jù)委托方提供的施工圖以及現(xiàn)場踏勘情況，初步了解建筑物的內(nèi)部細節(jié)以及結(jié)構(gòu)層次等信息后，同時結(jié)合點云拼接軟件FARO SCENE可自動對順序測量的測站進行自動數(shù)據(jù)配準的特點，設計掃描路線。

2.2 控制測量

利用周邊已有GNSS等級平面控制點及等級水準點校正檢查后，采用GNSS-RTK完成測區(qū)周邊3個圖根控制點的測量。布置標靶3個，利用徠卡TS02全站儀，對標靶進行測量。

2.3 點云數(shù)據(jù)采集

實際作業(yè)時，根據(jù)規(guī)劃路線進行數(shù)據(jù)采集，采集時應盡量滿足測量需求，遮擋嚴重時可適當增加測站，以保證數(shù)據(jù)能夠完整拼接。在掃描過程中，依據(jù)測站位置與掃描對象的距離、掃描對象的復雜程度等進行綜合分析，選擇最有效的參數(shù)。

2.4 內(nèi)業(yè)處理

2.4.1 點云處理

利用FARO SCENE軟件進行數(shù)據(jù)的配準。配準時，軟件會顯示每一站的配準精度及重疊率，同時還會顯示測站的連接關(guān)系。作業(yè)人員可以很直觀地對配準精度及情況進行分析，手動糾錯。利用軟件的標靶功能，獲取正確的點云數(shù)據(jù)坐標。見圖1。待所有的數(shù)據(jù)處理完成后，去噪后，導出為完整的點云數(shù)據(jù)。

圖1 點云數(shù)據(jù)顯示

2.4.2 要素提取

利用Autocad ReCap Prp 2023軟件加載導出的數(shù)據(jù)，通過剖面截取功能，選擇合適的位置及高度對三維點云數(shù)據(jù)進行橫截面截取。截面獲取后，利用點云提取截面線功能。依次對不同層次進行要素提取，生成整幢房屋的平面圖的初步成果。

2.4.3 成果繪制輸出

規(guī)劃核實測量成果：在房屋分層圖的基礎(chǔ)上，依據(jù)相應的規(guī)程、規(guī)范完成建筑基底面積、建筑面積的測算、竣工規(guī)劃比對、建筑功能、配套設施核實等工作。同時根據(jù)房屋分層圖外輪廓繪制建筑物地形圖，基于此完成建筑間距測算、建筑退讓紅線距離測算等工作。

不動產(chǎn)測繪成果：根據(jù)房屋分層平面圖，繪制出房產(chǎn)分層圖，利用房產(chǎn)軟件即可完成房產(chǎn)測量。

至此，規(guī)劃核實測量及不動產(chǎn)測繪中關(guān)于房屋測量的難點問題基本都已解決，其他所需要的建筑物的屬性信息也可通過點云模型進行提取。

3 精度分析

3.1 精度要求

根據(jù)《福建省工程建設項目“多測合一”綜合技術(shù)規(guī)程》（2022版）要求：對于一般建筑物規(guī)劃核實測量及不動產(chǎn)測繪中邊長測量精度要求均為中誤差（m） 0.014 +0.0007D，限差（m）0.028+0.0014D，其中D為邊長，以米為單位，當D小于10 m時，以10 m計；建筑物細部點、特征點測量相對鄰近控制點的點位中誤差為±5 cm；不動產(chǎn)測繪中房屋測算精度要求為中誤差0.02+0.001S（m2），限差0.04+0.002S（m2），其中S為面積，以平方米為單位。

3.2 數(shù)據(jù)分析

為了驗證三維激光點云模型精度，通過全站儀實測平面坐標與三維激光掃描測量坐標對比，求取該幢建筑物三維激光點云模型中誤差，計算公式為：

式中，Δ為觀測值與真值之差；n為觀測值個數(shù)。采用全站儀對該幢建筑物11處房屋角點進行了測量，如表1所示，根據(jù)公式（1）計算平面精度中誤差為±0.011 m；由計算公式可得，平面最小誤差為0.005m，最大誤差0.016 m。通過對比可知，平面精度滿足規(guī)劃核實測量的精度要求。

表1 掃描儀與全站儀坐標精度統(tǒng)計 單位：m

同時利用測距儀、卷尺量取建筑物內(nèi)外部分長度14處，數(shù)據(jù)詳見表2，根據(jù)公式（1）計算邊長較差中誤差為±0.009 m，長度最小較差為0.005 m，最大較差為0.020 m。根據(jù)精度要求可知，對于一般房屋，規(guī)劃核實測量及不動產(chǎn)測繪中，邊長精度滿足規(guī)劃核實測量及不動產(chǎn)測繪的精度要求。

表2 點云成果提取與丈量尺寸精度統(tǒng)計 單位：m

規(guī)劃核實測量建筑面積為5 331.44 m2，不動產(chǎn)測繪中房產(chǎn)面積為5 222.27 m2。根據(jù)公式限差S=0.04+0.002S，計算得知限差為13.35 m2。扣除因計算方法導致的差異后計算差異面積：

S=|5331.44-（5222.27+117.29×0.02+17.68×0.02+112.23×2×0.02+32.86×0.02+1.58+1.29+1.9 3+2.42+0.74+1.31+42.21×2+1.54×3|=3.01＜13.35

通過計算可知，房屋測算精度滿足不動產(chǎn)測繪的精度要求。

4 結(jié)束語

（1）FARO FocusS 350三維激光掃描儀操作簡單，可自動測量且具有相鄰測站自動拼接功能，能高效完成建筑物測量的內(nèi)外業(yè)工作。

（2）實例應用的三維激光點云模型平面精度中誤差達到±0.011 m，邊長較差中誤差為±0.009 m，房屋面積差異3.01 m2， 驗證了三維激光點云模型的絕對精度，同時證明了利用地面三維激光掃描儀技術(shù)可高質(zhì)量完成規(guī)劃核實測量及不動產(chǎn)測繪中的建筑物測量工作。

（3）通過文章項目應用研究，對地面三維激光掃描技術(shù)在“多測合一” 測繪項目中的應用研究具有指導意義。