(重慶市勘測院，重慶 400020)

基于地面三維激光掃描的三維竣工規(guī)劃核實(shí)技術(shù)研究

胡章杰，薛梅

(重慶市勘測院，重慶 400020)

介紹了一種利用地面三維激光掃描技術(shù)來輔助建設(shè)工程的規(guī)劃竣工核實(shí)的技術(shù)路線。研究了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的相關(guān)技術(shù)，詳細(xì)介紹了微地形提取流程和規(guī)劃竣工核實(shí)的主體建筑物立面輪廓特征線提取技術(shù)。利用從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取的相關(guān)特征，采取交互式建模的方式進(jìn)行三維建構(gòu)筑物建模，最后將地面三維激光掃描的成果整合到三維規(guī)劃竣工核實(shí)應(yīng)用中。

地面三維激光掃描；規(guī)劃竣工核實(shí)；微地形；特征提??；交互式建模

1 前 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)水平及測繪技術(shù)的提高，地面三維激光掃描作為一種現(xiàn)代高科技逐漸在規(guī)劃、測繪等領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)測繪手段的數(shù)據(jù)采集與處理方式，地面三維激光掃描技術(shù)具有很多無可替代的優(yōu)點(diǎn)。本文將研究該技術(shù)在三維規(guī)劃竣工核實(shí)中的應(yīng)用，提高建筑規(guī)劃管理的精度、時(shí)效性和高效性。

建筑規(guī)劃竣工核實(shí)是對(duì)已竣工建筑的整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行的審核工作，根據(jù)城市規(guī)劃管理部門批準(zhǔn)的規(guī)劃建筑紅線圖、總平面圖、規(guī)劃用地紅線圖，對(duì)已竣工建筑項(xiàng)目的尺寸、高度、層數(shù)、間距、退讓以及平面位置進(jìn)行實(shí)地核實(shí)并測算總體指標(biāo)，為工程驗(yàn)收和評(píng)定工程質(zhì)量提供依據(jù)，是城市規(guī)劃行政主管部門對(duì)已批準(zhǔn)的建筑工程進(jìn)行規(guī)劃監(jiān)督檢查的重要環(huán)節(jié)。

三維規(guī)劃竣工核實(shí)主要利用傳統(tǒng)的測繪手段獲取1∶500地形圖，提取地物幾何特征，綜合正射影像圖、照片提取地物紋理特征進(jìn)行三維建模。這種方式進(jìn)行竣工三維建模工作量很大，而且無法完全真實(shí)還原建筑物屋頂、窗臺(tái)等細(xì)部特征。所以，研究更加快捷、精確的建筑物三維建模技術(shù)和方法是當(dāng)務(wù)之急[1]。

三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)能夠滿足三維規(guī)劃竣工核實(shí)業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。它是規(guī)劃竣工核實(shí)的發(fā)展趨勢，具有模型精度高、外業(yè)時(shí)間短的優(yōu)勢，不僅適合三維規(guī)劃竣工許可指標(biāo)的核實(shí)，還可以對(duì)三維模型竣工測量時(shí)的尺寸、色彩和小區(qū)環(huán)境等進(jìn)行快速采集。目前國內(nèi)外還沒有采用地面三維激光掃描技術(shù)來輔助三維規(guī)劃竣工核實(shí)的研究應(yīng)用，本文將探討針對(duì)三維規(guī)劃竣工核實(shí)的技術(shù)路線。

2 研究背景

2.1 三維規(guī)劃竣工核實(shí)的主要研究內(nèi)容

傳統(tǒng)建設(shè)工程規(guī)劃竣工核實(shí)的主要指標(biāo)有:規(guī)劃與竣工方案對(duì)比；±0層標(biāo)高分析；角點(diǎn)坐標(biāo)分析；建筑面積分類統(tǒng)計(jì)；建筑物立面分析。傳統(tǒng)的規(guī)劃竣工核實(shí)不論是表達(dá)方式還是展示效果都不直觀，判讀性差。研究三維規(guī)劃竣工核實(shí)，進(jìn)行全空間三維數(shù)據(jù)采集、建立三維可視化模型、設(shè)計(jì)符合規(guī)劃竣工核實(shí)應(yīng)用特征的用戶接口，為城市規(guī)劃審批、監(jiān)督管理與項(xiàng)目竣工驗(yàn)收提供服務(wù)，有利于提高表現(xiàn)效果、技術(shù)水平和工作效率。三維規(guī)劃竣工核實(shí)主要研究內(nèi)容包括:高精度的竣工地理空間數(shù)據(jù)、快速有效的數(shù)據(jù)采集方法以及科學(xué)直觀的應(yīng)用集成。

選擇合適的數(shù)據(jù)采集精度是三維規(guī)劃竣工核實(shí)首先要解決的問題。精度選擇過低，無法滿足規(guī)劃審批工作的需要；精度選擇過高，必然增加成本。綜合考慮各個(gè)方面因素，將地物根據(jù)其重要性分成兩類:主要建(構(gòu))筑物，其他建(構(gòu))筑物和地貌、地物。因規(guī)劃竣工核實(shí)的主體是竣工建筑物，其測量精度應(yīng)提高到圖根點(diǎn)的精度:±5 cm，其他建(構(gòu))筑物和地貌、地物不作為竣工核實(shí)的主體，其測量精度滿足數(shù)字化地形圖測量精度即可。利用地面三維激光掃描技術(shù)，使用Rigel VZ1000，測量精度(100 m距離，單點(diǎn)測量) ±5 mm，能夠滿足三維建設(shè)工程規(guī)劃竣工核實(shí)數(shù)據(jù)采集精度的要求。此外，三維規(guī)劃竣工核實(shí)角點(diǎn)分析就需要對(duì)建筑物的拐角進(jìn)行精確測量。利用地面三維激光多基站掃描的措施保證竣工建筑物細(xì)部點(diǎn)的測量精度，同時(shí)還解決了建筑竣工全站儀測量時(shí)有些地點(diǎn)測量人員不能到位，用棱鏡采集不到數(shù)據(jù)等問題。

地面三維激光掃描還具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度快的優(yōu)勢，大大節(jié)約了現(xiàn)場時(shí)間。采集工作強(qiáng)度小，幾分鐘內(nèi)掃描儀就能自動(dòng)完成一個(gè)區(qū)域面積內(nèi)的三維點(diǎn)云的采集。不需要接觸被測物體，在光線昏暗的環(huán)境中甚至在黑夜中均可作業(yè)，特別是能對(duì)表面復(fù)雜的物體進(jìn)行外形測量。采集到的三維點(diǎn)云模型能轉(zhuǎn)換成CAD系統(tǒng)或不同軟件操作平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行三維建模[2]和管理。

最后，將三維規(guī)劃竣工核實(shí)的指標(biāo)如何科學(xué)直觀的展現(xiàn)出來也是一個(gè)重要的研究內(nèi)容。

2.2 地面三維激光掃描的研究現(xiàn)狀

地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表的，是繼GPS以來，測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。目前，部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)比較成熟地將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于機(jī)載激光測高和城市三維影像模型建立等方面，國內(nèi)一些專家學(xué)者或測繪單位也已經(jīng)做出了許多相關(guān)的研究及嘗試，并取得了很有價(jià)值的研究成果。我國在863計(jì)劃的支持下，大力發(fā)展三維激光掃描成像的信息獲取技術(shù)，目前對(duì)機(jī)載激光掃描系統(tǒng)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，而對(duì)地面三維激光掃描系統(tǒng)的研究還處于發(fā)展階段，也是國際研究的一個(gè)熱點(diǎn)。盡管激光掃描技術(shù)已經(jīng)有十幾年的發(fā)展歷史，相應(yīng)的硬件問題已基本上得到解決，也有不少成熟的商用系統(tǒng)，但在數(shù)據(jù)處理方面的研究還相對(duì)比較落后，特別是直接從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取實(shí)體特征信息和對(duì)目標(biāo)分類的研究比較缺乏。北京航空航天大學(xué)和廣西桂能信息工程有限公司分別利用地面三維激光掃描進(jìn)行古建筑數(shù)字化和山海關(guān)長城修復(fù)工程，均取得了良好的效果。長安大學(xué)地測學(xué)院利用Leica地面三維激光掃描進(jìn)行了黃河小浪底樞紐工程出水大壩三維可視化模型重建，滑坡體的變形監(jiān)測，三維景觀模型重建等工作。

本文提出了基于點(diǎn)云的微地形提取流程和規(guī)劃竣工核實(shí)的主體建筑物立面輪廓特征線提取技術(shù)。

3 技術(shù)路線

三維激光掃描應(yīng)用于規(guī)劃竣工核實(shí)的技術(shù)路線主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和與規(guī)劃竣工核實(shí)平臺(tái)整合三大部分。如圖1所示:

圖1 技術(shù)路線

3.1 控制點(diǎn)布設(shè)及目標(biāo)點(diǎn)云采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括標(biāo)靶及控制點(diǎn)布設(shè)與測量和數(shù)據(jù)全景掃描兩部分工作。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常一個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集需要很多測站來完成。不同測站的測量數(shù)據(jù)拼接到一起就需要標(biāo)靶來完成，根據(jù)掃描儀測程，需要在各相鄰測站重合的位置布設(shè)標(biāo)靶以供點(diǎn)云拼接需要?？刂泣c(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程測量可以采用RTK測量。

3.2 點(diǎn)云拼接與影像配準(zhǔn)

為了構(gòu)建目標(biāo)完整的三維模型，需要選擇不同的視點(diǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描。因此點(diǎn)云拼接就是將從不同視點(diǎn)獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到某個(gè)固定的坐標(biāo)系中。本文所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是基于標(biāo)靶的全自動(dòng)點(diǎn)云拼接算法[3]。利用數(shù)字影像可以提供豐富的光譜信息和真實(shí)的紋理信息，采用基于圖像配準(zhǔn)的方法將激光點(diǎn)云和數(shù)字影像相結(jié)合。圖2是小區(qū)的激光點(diǎn)云經(jīng)過多站拼接和影像配置后的成果。

圖2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.3 點(diǎn)云分類濾波、抽稀、微地形提取

從激光點(diǎn)云中提取微地形對(duì)三維重建有重要的作用，首先需要對(duì)原始的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類濾波，去除車輛、行人、樹木等因素的影像。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)過于密集，還應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，提高后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的效率。某些測區(qū)由于植被過于密集，從點(diǎn)云中提取微地形則需要采用多次迭代分類濾波的方式來進(jìn)行微地形的提取，微地形提取的主要方法如圖3所示:

圖3 微地形提取主要方法

3.4 特征提取

規(guī)劃竣工核實(shí)的目標(biāo)建構(gòu)筑物往往是規(guī)則而復(fù)雜的幾何體，直接從處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取這些特征目前沒有很成熟的技術(shù)。為了減少建模的數(shù)據(jù)量，提高建模的效率，需要從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取一部分特征，后續(xù)建模依賴這些特征構(gòu)建出精確的三維模型。此外還需對(duì)整個(gè)建構(gòu)筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)，從而得到三維模型的總體外觀，指導(dǎo)精細(xì)建模。建筑物的特征提取包括建構(gòu)筑物骨架特征提取、建筑物立面輪廓提取以及窗戶陽臺(tái)樓頂?shù)燃?xì)節(jié)特征提取[4]。建筑物立面輪廓提取是整個(gè)三維模型重建精度的關(guān)鍵，其主要流程如圖4所示。圖5展示了該技術(shù)提取輪廓線的最終效果，從圖中可以看出:最后提取出來的輪廓線條與點(diǎn)云數(shù)據(jù)幾乎全部擬合，只有極少部分線條最終需要人工校對(duì)和調(diào)整，采用這種方法保證了建筑物輪廓提取的精度。

圖4 建筑物立面輪廓提取主要流程

圖5 建筑物輪廓提取效果

3.5 高精度建模與應(yīng)用集成

首先利用建筑物橫截面特征和微地形生成建筑物粗模，然后三維制作人員使用三維仿真軟件進(jìn)行人工交互式高精度三維建模[5]。最后利用外業(yè)采集的數(shù)字圖像，進(jìn)行三維紋理映射。本文采用Rigel配套的RiSCAN和Geomagic對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，將成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3Dmax進(jìn)行三維建模和紋理映射，還包括對(duì)植被、道路、附屬設(shè)施進(jìn)行建模，最后將這些三維模型與生成的微地形集成到三維規(guī)劃竣工核實(shí)平臺(tái)，系統(tǒng)集成效果如圖6。

圖6 集成的三維規(guī)劃竣工核實(shí)平臺(tái)

4 建設(shè)規(guī)劃竣工核實(shí)應(yīng)用

(1)規(guī)劃與竣工方案對(duì)比:包括對(duì)規(guī)劃和竣工后的模型進(jìn)行分屏對(duì)比分析、竣工后模型與工程總平面圖疊加展示以及規(guī)劃和竣工后三維模型的疊加分析。從而判斷總平面圖上建筑是否全部完成，是否存在多建或少建；是否存在移位。圖7為規(guī)劃和竣工后三維模型的疊加分析，其中藍(lán)色區(qū)域代表竣工建筑物部分超出規(guī)劃范圍，紅色區(qū)域代表竣工建筑物部分未達(dá)到規(guī)劃尺寸。通過三維展現(xiàn)的方式能夠直觀的對(duì)竣工后建筑進(jìn)行審核。

圖7 疊加分析

(2)±0層標(biāo)高分析:根據(jù)給定值，搜索竣工后超限±0層標(biāo)高，并定位到建筑物模型。圖8為系統(tǒng)中包含±0層標(biāo)高分析的報(bào)表截圖。

圖8 建筑工程竣工比較分析表

(3)角點(diǎn)坐標(biāo)分析:根據(jù)搜索竣工后角點(diǎn)坐標(biāo)是否在允許誤差范圍內(nèi)，并定位到角點(diǎn)。該功能能夠準(zhǔn)確反映竣工后建筑物角點(diǎn)與規(guī)劃圖中的偏移量和偏移方向，圖9展現(xiàn)了該功能。

(4)建筑面積分析:按棟分類統(tǒng)計(jì)建筑面積，給出總建筑面積。對(duì)照竣工測量報(bào)告和建設(shè)工程規(guī)劃許可證和設(shè)計(jì)條件，判斷總建筑面積是否超規(guī)劃許可證面積和容積率；對(duì)照審批的施工圖和三維規(guī)劃竣工報(bào)表中的面積進(jìn)一步核實(shí)每棟、每層建筑面積存在的差異。圖10為三維規(guī)劃竣工系統(tǒng)建筑工程建筑面積匯總報(bào)表。

圖9 角點(diǎn)坐標(biāo)分析

圖10 建筑面積匯總表

(5)控高分析:設(shè)置建筑控制高度，超過設(shè)定控制面部分即為超高，并直觀的展示超高部分，核實(shí)每棟建筑層數(shù)和高度。圖11反映高程為480 m的控高分析效果圖。系統(tǒng)中超過藍(lán)色控制面部分即為超高。

(6)立面圖:畫一條兩點(diǎn)線，沿該線方向生成左側(cè)建筑物立面圖。真實(shí)還原竣工核實(shí)，現(xiàn)場核實(shí)建筑外立面是否與規(guī)劃相符。現(xiàn)場對(duì)照外立面的色彩、材質(zhì)等是否與許可或外立面審查意見相符。

圖11 控高分析

5 結(jié) 論

地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取高密度高精度的目標(biāo)空間信息，具有掃描速度快、數(shù)據(jù)信息量大、精度高等特點(diǎn)，完全能夠滿足建設(shè)工程規(guī)劃竣工核實(shí)的應(yīng)用需求。采用地面三維激光掃描技術(shù)來輔助規(guī)劃竣工核實(shí)，實(shí)現(xiàn)了建筑規(guī)劃管理的精細(xì)化和科學(xué)性，并突破了規(guī)劃竣工核實(shí)對(duì)傳統(tǒng)1∶500地形圖測量成果的依賴，有利于建筑規(guī)劃管理。本文重點(diǎn)研究了基于點(diǎn)云的微地形提取流程和規(guī)劃竣工核實(shí)的主體建筑物立面輪廓特征線提取技術(shù)，有效利用了地面三維激光掃描高精度的特點(diǎn)，并在建筑物特征提取方面取得了有價(jià)值的研究成果。同時(shí)地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用也存在不足:如數(shù)據(jù)采集過程中植被密集等問題；掃描目標(biāo)建筑物頂部細(xì)節(jié)不夠豐富；點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理量大和數(shù)據(jù)處理效率不夠高。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，地面三維激光技術(shù)將會(huì)更加有效的服務(wù)于建設(shè)工程的規(guī)劃竣工核實(shí)。

[1] 宗慶，楊留方.城市規(guī)劃核實(shí)測繪的新方法[J].城市勘測，2010(01)：129-131.

[2] 黃承亮，向娟.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測量方法研究[J].城市勘測，2011(01)：87-90.

[3] 鄭德華.ICP算法及其在建筑物掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)配置中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2007(02)：31-32.

[4] 楊洋，馬一薇，楊靖宇.基于車載激光掃描數(shù)據(jù)的窗戶提取與重建技術(shù)[J].海洋測繪，2010(03)：48-51.

[5] 梁欣廉，張繼賢，李海濤.基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的簡單規(guī)則建筑物模型重建[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2007 (04)：641-647.

The Research on Terrestrial 3D Laser Scanning in the 3D Verification of Comp leted Planning

Hu Zhangjie，Xue Mei
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020)

This paper introduces a terrestrial 3D laser scanning technology to aid in the verification of completed building planning.Research the data processing technology of indoor work，described in detail the technical solutions of the three-dimensional tiny terrain reconstruction and building outline extraction.And use point cloud data to extract relevant features，take a method of interactive modeling for the 3D building structures modeling.Finally，integrate the results of terrestrial 3D scanning to the three-dimensional verification of completed building planning application.

terrestrial3D laser scanning；verification of completed building planning；tiny terrain；feature extraction；interactivemodeling

1672-8262(2013)01-15-06

：P232

：A

2012—06—12

胡章杰(1983—)，男，工程師，主要從事3D GIS的開發(fā)研究工作。