呂磊 ，邢漢發(fā)，王敘泉

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

竣工測(cè)量(規(guī)劃驗(yàn)收)是城市建筑工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其是在建筑工程竣工后，對(duì)建筑物實(shí)體進(jìn)行的全方位的測(cè)量工作［1，2］。內(nèi)容包括建筑物的層高和總樓高、測(cè)量并標(biāo)注建筑物與其所在地塊的用地紅線坐標(biāo)、建筑物周邊的規(guī)劃道路以及四周關(guān)系［3，4］。

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種新型全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)［5，6］。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，地面三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)不需要接觸目標(biāo)，能快速、準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)體數(shù)據(jù)，具有密度高、精度高等特點(diǎn)，適合大面積或者表面復(fù)雜的物體測(cè)量及其物體局部細(xì)節(jié)測(cè)量，計(jì)算目標(biāo)表面、體積、斷面、截面、等值線等，為測(cè)繪人員突破傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取手段［7，8］。

目前，城市竣工測(cè)量主要為二維平面測(cè)量，這些數(shù)據(jù)為規(guī)劃管理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加速，異形建筑越來越多，城市規(guī)劃管理越來越復(fù)雜，二維竣工測(cè)量圖不能提供建筑物風(fēng)格、色調(diào)等要素，已經(jīng)不能滿足規(guī)劃管理的要求。隨著三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將其引入到竣工測(cè)量中是一條可行途徑［9～11］。目前地面激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例較少，本文設(shè)計(jì)了三維竣工測(cè)量技術(shù)方案，探索地面激光掃描儀測(cè)量技術(shù)在竣工測(cè)量領(lǐng)域的可行性。

2 工程概況及作業(yè)流程

2.1 工程概況

廣州市南豐國際會(huì)展中心坐落于廣州市海珠區(qū)琶洲島，包括南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心和南豐國際會(huì)展中心共兩幢大樓，集商業(yè)寫字樓、五星級(jí)酒店等于一體的現(xiàn)代商務(wù)貿(mào)易中心，驗(yàn)收總建筑面積為28.3 萬m2，如圖1所示。

圖1 南豐國際會(huì)展中心建筑圖

會(huì)展中心外形獨(dú)特時(shí)尚，層層交錯(cuò)橫縱;塔樓設(shè)計(jì)又宛如隨意凌亂堆放的方塊疊在一起，每個(gè)方塊即每一層都是錯(cuò)亂而有序的疊搭;裙樓設(shè)計(jì)很具有傾斜線條美，或是向外傾斜，或是向內(nèi)傾斜。由于其現(xiàn)代幾何式立面結(jié)構(gòu)，采用全站儀設(shè)站方式較難以準(zhǔn)確測(cè)量出裙樓傾斜面各樓層的平面位置，與交錯(cuò)重疊的塔樓各樓層平面位置以及在裙樓不同傾斜角之間和塔樓各“方塊”之間進(jìn)深不一的眾多凹角，這給我們的傳統(tǒng)規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量帶來了挑戰(zhàn)。

2.2 作業(yè)流程

鑒于上述對(duì)會(huì)展中心異形建筑物竣工驗(yàn)收的分析，項(xiàng)目組應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行竣工驗(yàn)收測(cè)量。其作業(yè)流程如圖2所示，主要內(nèi)容包括:控制測(cè)量、外業(yè)掃描測(cè)量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、竣工圖核對(duì)、三維建模、建筑面積計(jì)算、平立面圖繪制、竣工地形圖繪制等。

圖2 基于三維激光掃描技術(shù)的竣工測(cè)量流程圖

3 三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集

3.1 控制測(cè)量

為滿足建筑工程規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量精度的要求，本工程以《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，布設(shè)一級(jí)靜態(tài)GPS 控制網(wǎng)，共測(cè)設(shè)靜態(tài)控制點(diǎn)4 個(gè)，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)8 km(如圖3所示)。一級(jí)控制網(wǎng)起算點(diǎn)選用工程附近廣州市三等以上平面控制點(diǎn)，為提升整網(wǎng)精度，起算點(diǎn)范圍涵蓋4 個(gè)一級(jí)控制點(diǎn)，高程控制以附近二等基巖水準(zhǔn)控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。采用一級(jí)GPS 控制網(wǎng)和四等水準(zhǔn)不僅可以保證規(guī)劃驗(yàn)收控制測(cè)量的精度，還能將驗(yàn)收測(cè)量成果接入廣州市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。

圖3 一級(jí)GPS 控制網(wǎng)圖

3.2 激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集

本工程采用RIEGL VZ－400 三維激光掃描儀，其反射距離為500 m。依據(jù)會(huì)展中心建筑物異形的特點(diǎn)，本次三維激光掃描主要采用了以下兩種方式:①單站絕對(duì)定向模式:三維激光掃描測(cè)站與靶標(biāo)(類似全站儀的棱鏡)布設(shè)在圖根點(diǎn)上，并設(shè)置掃描相應(yīng)參數(shù)，執(zhí)行掃描。②無靶標(biāo)相對(duì)定向:采用無靶標(biāo)方式，直接對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行掃描。

掃描站點(diǎn)的坐標(biāo)量測(cè)利用“廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)”和廣州市似大地水準(zhǔn)面，對(duì)三維激光掃描儀中內(nèi)置的GPS 定位功能進(jìn)行開發(fā)，使得三維激光掃描儀在掃描測(cè)量建筑物的同時(shí)測(cè)量掃描站的RTK 坐標(biāo)，從而提高了外業(yè)作業(yè)速度和內(nèi)業(yè)配準(zhǔn)效率。

工程實(shí)施過程中，對(duì)兩幢樓的掃描采用精掃模式。南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心共掃描27 站，其中10 站為在裙樓上進(jìn)行掃描，共采用標(biāo)靶9 個(gè)，貼于建筑物幕墻或者特征比較明顯的電線桿等物體上。南豐國際會(huì)展中心共掃描30 站，其中9 站為在裙樓上進(jìn)行掃描，共采用標(biāo)靶10 個(gè)，同時(shí)用全站儀對(duì)標(biāo)靶和測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。其中南豐國際會(huì)展中心采集站點(diǎn)如圖4所示。

圖4 野外數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)示意圖

4 三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)處理

4.1 掃描測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)建筑物掃描后，需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)和點(diǎn)云配準(zhǔn)等工作。

(1)點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)

獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，會(huì)由于灌木叢遮擋，自身遮擋，玻璃透射等原因造成了大量的空洞和噪音，致使原始點(diǎn)云質(zhì)量較差，需要進(jìn)行去噪、補(bǔ)洞等處理。

首先在地面三維激光掃描儀的配套軟件Riscan Pro 中去除偏差較大的噪音后，后在Geomagic Studio中進(jìn)一步去噪與交互式操作補(bǔ)洞。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的兩種方式，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作同樣采用與之相對(duì)應(yīng)的兩種模式。

①后視定向配準(zhǔn)

對(duì)于起始測(cè)站采用靶標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，輸入測(cè)站坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)，采用RieGL Riscan 中后視定向配準(zhǔn)模塊進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全局坐標(biāo)。

②站站間配準(zhǔn)

首先要進(jìn)行粗配，可以采用兩種方法:a、選擇同名特征點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，該方法適用于同名點(diǎn)特征明顯的，至少要選擇4 個(gè)同名點(diǎn)，同名點(diǎn)應(yīng)盡量選擇房屋角、線桿頂?shù)燃怃J地物點(diǎn);b、根據(jù)人工交互式移動(dòng)測(cè)站，使未配準(zhǔn)站移動(dòng)到已配準(zhǔn)站的對(duì)應(yīng)位置，匹配精度以能夠執(zhí)行自動(dòng)精確匹配為準(zhǔn)。

粗配結(jié)束，采用軟件自動(dòng)精確精配，提高配準(zhǔn)精度，配準(zhǔn)誤差在0.01 m以內(nèi)，方可進(jìn)行下一站配準(zhǔn)。如圖5所示為南豐國際會(huì)展中心各測(cè)站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖5 南豐國際會(huì)展中心各站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

4.2 建筑物面積測(cè)算

(1)采用切片法提取特征線

設(shè)計(jì)合適的切片厚度對(duì)配準(zhǔn)之后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每一層進(jìn)行X－Y 水平面切面處理，通過提取特征點(diǎn)得到建筑物每一樓層特征線，從而計(jì)算該樓層建筑面積。

(2)建筑面積計(jì)算

采用切片法提取得到的每一樓層特征線，并通過輸出繪圖交換文件(dxf 格式文件)，將其導(dǎo)入CAD 軟件，在數(shù)據(jù)工程編輯狀態(tài)下繪制建筑物線劃圖，從而計(jì)算建筑物面積。

4.3 立面圖繪制

根據(jù)建筑物竣工驗(yàn)收要求，核對(duì)建筑物竣工立面圖是一項(xiàng)重要工作，本項(xiàng)目根據(jù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的建筑物竣工立面圖與建設(shè)單位提供的竣工建筑物立面圖進(jìn)行對(duì)比，可清晰了解其立面圖的實(shí)際尺寸，與現(xiàn)場(chǎng)符合情況等。本工程的立面圖繪制流程如圖6所示，采用項(xiàng)目組自主研發(fā)軟件Laserscanner，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型進(jìn)行主立面投影，并采用三維量測(cè)模式進(jìn)行量測(cè)，輸出繪圖交換dxf 文件，將其導(dǎo)入CAD 軟件中，在規(guī)劃管理工程模板下，并根據(jù)地面LiDAR 部件高分辨率數(shù)碼相機(jī)所獲得的高清晰圖片，進(jìn)行立面線劃圖繪制。

圖6 立面圖繪制流程圖

采用三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物竣工測(cè)量，其中最終產(chǎn)品之一的是建立目標(biāo)物的三維模型，如圖7所示，并可在模型上提取斷面圖，進(jìn)行量測(cè)、面積計(jì)算等。根據(jù)點(diǎn)云經(jīng)過建模處理之后繪制的塔樓竣工立面圖，如圖8所示。

圖7 南豐國際會(huì)展中心塔樓點(diǎn)云圖

圖8 根據(jù)點(diǎn)云繪制的竣工立面圖

5 結(jié)果分析

以南豐國際中心第9 層為例(如圖9所示)，下圖為經(jīng)過X－Y 水平面切面處理截留的點(diǎn)云平面圖，并與全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)(紅色線為全站儀觀測(cè))。

圖9 南豐國際會(huì)展中心第9 層點(diǎn)云平面圖

項(xiàng)目采用地面三維激光掃描儀結(jié)合全站儀觀測(cè)，還以南豐國際會(huì)展中心第9 層為例，對(duì)該點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行再次濾波去噪處理，并將其連接成線，并與全站儀觀測(cè)數(shù)對(duì)比，各角點(diǎn)坐標(biāo)比較如表1所示。

由于兩幢樓塔樓各樓層中心均有中空，采用全站儀觀測(cè)計(jì)算南豐國際會(huì)展中心第9 層外圍面積為3 134.0 km2(未扣除中空面積)，三維激光掃描儀計(jì)算面積為3 133.1 km2，面積相差甚小。并根據(jù)前面建筑物面積測(cè)算方法計(jì)算各層面積如表2所示:

表1 全站儀與三維激光掃描測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)比表

表2 全站儀與三維激光掃描測(cè)量各樓層面積對(duì)比表

6 總 結(jié)

城市化進(jìn)程中的異形建筑增多、規(guī)劃管理復(fù)雜化，傳統(tǒng)二維竣工測(cè)量已不能滿足規(guī)劃管理的要求。三維激光掃描儀以其自身的技術(shù)特點(diǎn)，能夠獲取一些全站儀難以采集到的建筑物角點(diǎn)，本文以廣州市會(huì)展中心某異形建筑為工程實(shí)例，來驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測(cè)量中的可行性。首先對(duì)三維竣工測(cè)量作業(yè)流程進(jìn)行了總體闡述，繼而介紹了三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集中的控制測(cè)量和激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集流程與技術(shù)，最后對(duì)三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的掃描測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、建筑物面積測(cè)算和立面圖繪制三個(gè)關(guān)鍵過程進(jìn)行了分析研究。三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)與全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，點(diǎn)位和面積結(jié)果相差甚少，能夠滿足建筑竣工測(cè)量需求。綜上所述，本文認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超大規(guī)模建筑物驗(yàn)收測(cè)量中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)該在特定的規(guī)劃驗(yàn)收中推廣使用。

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