史秀保，汪帆，葛紀(jì)坤

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

三維激光掃描技術(shù)具有高效率、高精度、非接觸主動(dòng)測(cè)量等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有效避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)、重復(fù)測(cè)量、工作效率低等弊端［1］。目前該技術(shù)運(yùn)用到建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中主要存在以下難點(diǎn):①外業(yè)作業(yè)時(shí)儀器的配備和組裝困難，不方便操作;②缺少相應(yīng)軟件利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作二維平面圖［2］。

2 建筑規(guī)劃竣工測(cè)量技術(shù)指標(biāo)

2.1 測(cè)量精度要求

平面精度:根據(jù)寧波市建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，按地物特征點(diǎn)數(shù)學(xué)精度要求將地物分為一類、二類和三類，各精度級(jí)別的中誤差及說(shuō)明如表1所示:

地物類別及精度 表1

高程精度:房屋高度的精度不低于 5 cm，地表高程注記點(diǎn)中誤差不大于±15 cm。

2.2 測(cè)繪成果

寧波市建筑規(guī)劃竣工成果包括以下內(nèi)容:

(1)1∶500竣工地形圖;

(2)竣工測(cè)量規(guī)劃復(fù)核圖;

(3)竣工測(cè)繪總平面圖;

(4)1∶500套紅線地形圖;

(5)三維模型數(shù)據(jù);

(6)竣工測(cè)量報(bào)告。

本文只針對(duì)利用三維激光掃描技術(shù)采用靜態(tài)掃描方法制作建筑竣工測(cè)繪中有關(guān)二維圖件的過(guò)程、方法進(jìn)行研究和試驗(yàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 儀器及軟件

項(xiàng)目組使用的激光掃描儀為高精度激光掃描儀RIEGL VZ－400。激光掃描儀的掃描距離一般為 30 m～160 m，掃描范圍為100°×360°(垂直×水平)。

點(diǎn)云處理軟件為武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院與寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合研發(fā)的海量級(jí)城市三維激光點(diǎn)云信息綜合處理平臺(tái)VR_CityScene。該軟件采用基于內(nèi)容的點(diǎn)云自適應(yīng)簡(jiǎn)化算法，建立了點(diǎn)云多分辨率數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基于外存的點(diǎn)云存取機(jī)制，并結(jié)合GPU硬件加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量點(diǎn)云的實(shí)時(shí)渲染和高效的索引機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了點(diǎn)云管理和搜索引擎;解決了海量點(diǎn)云的自適應(yīng)抽稀、高精度自動(dòng)配準(zhǔn)、三維精細(xì)建模等關(guān)鍵難題，建立基于點(diǎn)云模型的測(cè)圖要素智能化提取和三維空間量測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了與我國(guó)常用測(cè)圖軟件的無(wú)縫集成。

3.2 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)和寧波市建筑規(guī)劃竣工測(cè)量的要求，制定作業(yè)流程如圖1所示［3］:

3.3 三維激光掃描方案

根據(jù)測(cè)區(qū)的地形特點(diǎn)和已有控制點(diǎn)分布情況，選取合適的掃描方案。掃描方案根據(jù)內(nèi)業(yè)點(diǎn)云配準(zhǔn)方法不同可分為以下3種:

(1)坐標(biāo)系掃描法。掃描儀與靶標(biāo)均架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，內(nèi)業(yè)利用已知數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云絕對(duì)定位定向［5］。

圖1 作業(yè)流程

(2)碎部控制掃描法。掃描儀無(wú)須架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，外業(yè)通過(guò)常規(guī)測(cè)量方法獲取點(diǎn)云中一定數(shù)量的明顯特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，內(nèi)業(yè)利用各站之間同名碎部控制點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)和定向。

(3)靶標(biāo)配準(zhǔn)法。掃描儀無(wú)須架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，外業(yè)通過(guò)相鄰兩站之間設(shè)置的4個(gè)或以上靶標(biāo)確定相鄰兩站之間相對(duì)位置關(guān)系，同時(shí)通過(guò)常規(guī)測(cè)量方法獲取少量碎部控制點(diǎn)，內(nèi)業(yè)通過(guò)同名靶標(biāo)球進(jìn)行相鄰站點(diǎn)云的配準(zhǔn)，最后通過(guò)碎部控制點(diǎn)完成整體點(diǎn)云的絕對(duì)定向。

根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱，測(cè)區(qū)附近已有控制點(diǎn)情況及測(cè)區(qū)范圍大小，制定出外業(yè)作業(yè)時(shí)間最短、點(diǎn)云數(shù)據(jù)最全面及內(nèi)業(yè)操作最簡(jiǎn)單的作業(yè)方案。

3.4 掃描儀器配備及組裝

三維激光掃描外業(yè)掃描儀器及設(shè)備包括:三維激光掃描儀、發(fā)電機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、靶標(biāo)球及三角對(duì)中桿、三腳架、數(shù)據(jù)通信線和電線等。為方便外業(yè)儀器的架設(shè)和轉(zhuǎn)站，項(xiàng)目組采用自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的推車進(jìn)行組裝和外業(yè)作業(yè)，外業(yè)推車如圖2所示。

圖2 外業(yè)推車

3.5 數(shù)據(jù)處理及成果制作

(1)初步點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

利用RIEGL VZ－400自帶的商業(yè)軟件RiscanPro對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)后，為滿足二維成圖的要求，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、抽稀處理［4］。合并、抽稀軟件為武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院與寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合研發(fā)的Save MM SPCData，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云抽稀

(2)二維成圖方法

利用VR_CityScene軟件可以在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上直接描繪出建筑和地形的輪廓線并實(shí)時(shí)或手工導(dǎo)入CAD軟件中。針對(duì)不同形狀、特性的成圖對(duì)象可以采用以下成圖方法:

①點(diǎn)云頂視圖上直接描繪，此方法適用于對(duì)于外輪廓規(guī)則的建筑，有取點(diǎn)和描線兩種方法，如圖4～圖6所示。

圖4 頂視圖描線法(綠色線條為所描線段)

圖5 頂視圖取點(diǎn)法(綠色點(diǎn)為所取點(diǎn)位)

圖6 導(dǎo)入CAD

②切片繪制:此方法適用于對(duì)于建筑物層次復(fù)雜的建筑．對(duì)于建筑物層次比較復(fù)雜的建筑，無(wú)法直接在頂視圖中判定建筑物各層次輪廓線，因此可利用切片的方法截取建筑特定層次獲取該建筑特定層次的橫截面，然后描繪出該層次的輪廓線，如圖7所示。

圖7 切片效果截圖

③地形繪制方法。對(duì)于點(diǎn)云過(guò)稀無(wú)法判斷道路邊線、攝像頭和路燈無(wú)法判斷的情況，可根據(jù)其高程特性選擇狹窄的高程空間對(duì)其進(jìn)行高程偽彩色渲染，從而使繪制對(duì)象更容易判讀，如圖8、圖9所示。

圖8 默認(rèn)顏色下路燈的判讀情況

圖9 高程偽彩色下路燈的判讀情況

(3)成果資料制作

根據(jù)所繪制二維測(cè)區(qū)地形圖，結(jié)合建筑規(guī)劃許可證附圖及有關(guān)規(guī)劃審批材料，制作竣工測(cè)量規(guī)劃復(fù)核圖、竣工測(cè)繪總平面圖、1∶500套紅線地形圖等。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

4.1 項(xiàng)目概況

本次試驗(yàn)選擇寧波市銀潤(rùn)豪園項(xiàng)目作為生產(chǎn)試驗(yàn)對(duì)象。該項(xiàng)目位于寧波市海曙區(qū)通途路以北、麗園北路以西?？傉嫉孛娣e約 62 000 m2，如圖10所示。

圖10 測(cè)區(qū)地塊整體空間布局

4.2 項(xiàng)目實(shí)施

本次項(xiàng)目采用坐標(biāo)系掃描法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。測(cè)區(qū)共布置6個(gè)圖根控制點(diǎn)，圖根點(diǎn)及室內(nèi)地坪高程利用采用圖根水準(zhǔn)方法施測(cè)。利用VR_CityScene軟件在所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中繪制測(cè)繪二維平面圖，在此基礎(chǔ)上結(jié)合建筑規(guī)劃許可證附圖及有關(guān)規(guī)劃審批材料，制作竣工測(cè)量規(guī)劃復(fù)核圖、竣工測(cè)繪總平面圖、1∶500套紅線地形圖等。

4.3 成果精度檢測(cè)

經(jīng)浙江省測(cè)繪質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢驗(yàn)后，本次試驗(yàn)精度統(tǒng)計(jì)如表2、表3所示:

地物點(diǎn)平面誤差分布狀況統(tǒng)計(jì)表 表2

以上檢測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明，利用三維激光掃描技術(shù)技術(shù)完全可以運(yùn)用于建筑竣工測(cè)量，精度符合浙江省寧波市有關(guān)建筑竣工測(cè)繪規(guī)定。通過(guò)工作量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，利用三維激光掃描技術(shù)比常規(guī)方法減少了35%的外業(yè)工作量，且降低了外業(yè)工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了將部分外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)工作的目的［6，7］。

4.4 誤差分析

三維激光掃描所獲取點(diǎn)云主要有以下3個(gè)精度影響因素:圖根控制點(diǎn)精度、三維激光的入射角以及測(cè)量距離。由于圖根控制點(diǎn)的布設(shè)方法和精度與常規(guī)作業(yè)方法相同，故本文僅對(duì)三維激光的入射角以及測(cè)量距離對(duì)成果精度的影響作以下分析，如表4、表5所示:

入射角對(duì)精度影響統(tǒng)計(jì)表 表4

測(cè)量距離對(duì)精度影響統(tǒng)計(jì)表 表5

以上研究分析表明，精度較差的點(diǎn)云主要分布于與三維激光掃描儀架站點(diǎn)角度較大且距離較遠(yuǎn)的區(qū)域，而與三維激光掃描儀架站點(diǎn)角度較小且距離較近的區(qū)域精度較高。因此，為保證獲取高精度點(diǎn)云，應(yīng)在圖根控制點(diǎn)選布時(shí)考慮測(cè)量對(duì)象與控制點(diǎn)的角度與距離因素。

5 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)由研究、實(shí)驗(yàn)階段走向生產(chǎn)應(yīng)用階段，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用需求也越來(lái)越高。本文正是在高效率、高精度的建筑竣工測(cè)繪的需求的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在建筑竣工測(cè)量中的運(yùn)用進(jìn)行了研究，并在研發(fā)出了一系列生產(chǎn)軟件的前提下提出了一套切實(shí)可行的操作方案和流程，取得了滿意的應(yīng)用研究成果［8］。

但是，靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中仍存在搬站困難、需要提前布置控制點(diǎn)等問(wèn)題。我們將在現(xiàn)有成果技術(shù)基礎(chǔ)上，利用車載三維激光掃描技術(shù)解決建筑規(guī)劃竣工測(cè)量中二、三類地物測(cè)量精度問(wèn)題進(jìn)行持續(xù)研究。車載三維激光掃描技術(shù)測(cè)量快捷，無(wú)需提前布置控制點(diǎn)，可更大幅降低外業(yè)作業(yè)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率，對(duì)于三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用和推廣和盡快實(shí)現(xiàn)“辦公室測(cè)繪”有著積極重要的意義。

［1］李德仁，胡慶武，郭晟等．移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)及其在科技奧運(yùn)中的應(yīng)用［J］．科學(xué)通報(bào)，2009:4～5．

［2］梅文勝，周燕芳，周俊．基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪［J］．測(cè)繪通報(bào)，2010:19～20．

［3］陳為民．基于全景成像與激光掃描的城市快速三維測(cè)量與重建技術(shù)研究［D］．武漢:武漢大學(xué)，2012:7～8．

［4］臧克．基于Riegl三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)的初步研究［J］．首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)．自然科學(xué)版，2007:6～7．

［5］張宏，胡明．三維激光掃描儀在地形測(cè)量中的應(yīng)用［J］．企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2007:11～12．

［6］王星杰．三維激光掃描儀在道路竣工測(cè)量中的應(yīng)用［J］．北京測(cè)繪，2012(4):21～25．

［7］徐進(jìn)軍，余明輝，鄭炎兵．地面三維激光掃描儀應(yīng)用綜述［J］．工程勘察，2008(12):31～33．

［8］ 李杰．建筑物竣工測(cè)量數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量控制［J］．測(cè)繪通報(bào)，2004(7):26～28．