王文暉

(泉州市規(guī)劃勘測研究院，福建 泉州 362000)

三維激光模型在規(guī)劃中的應用

王文暉

(泉州市規(guī)劃勘測研究院，福建 泉州 362000)

全國眾多城市已初步實現(xiàn)了應用數(shù)字三維建模技術進行規(guī)劃前和規(guī)劃中的三維仿真規(guī)劃管理，有效提高了規(guī)劃審批的質量和效率。但受項目規(guī)劃驗收數(shù)據(jù)采集方式的限制，規(guī)劃核實借助三維平臺的城市還為數(shù)不多。隨著三維激光掃描設備和技術的不斷發(fā)展，微型遠距離高精度三維激光掃描設備不斷進入應用階段，旋翼無人機搭載微型三維激光掃描儀作業(yè)方式的出現(xiàn)，使小區(qū)域快速精確生成三維模型成為可能。本文通過一項建筑竣工三維測繪試驗案例，試探應用小區(qū)域三維激光掃描技術，在批后管理中客觀地對項目建設情況和項目進度進行精確管理，直觀、真實、詳細、準確地了解項目的實際建設情況，提高規(guī)劃批后管理和規(guī)劃核實的效率，極大地推動了規(guī)劃管理走向高效化和科學化。

三維激光模型；三維真實影像模型；激光點云；規(guī)劃核實；竣工測繪

Abstract： Many cities in China have basically realized the application of digital three-dimensional modeling technology in planning and planning before the three-dimensional simulation program management, have effectively improved the quality and efficiency of the planning approval.However,by the project planning and acceptance of data collection restrictions,planning verification using three-dimensional platform of the city is one of the few. With the development of 3D laser scanning equipment and technology, micro long distance and high precision 3D laser scanning equipment has entered the application stage,rotor UAV equipped with mini 3D laser scanner operating mode,let the small area fast and accurate 3D model become possible.Through a building completed 3D mapping test case,this paper tested the application area of 3D laser scanning technology,the number after the management objective of the project construction and project schedule management,real,accurate,intuitive and detailed and accurate understanding of the actual project construction situation,improved the efficiency of planning and planning management after batch verification that greatly promoted the planning management more scientific and efficient.

Keywords： three-dimensional laser model;three-dimensional real image model;laser point cloud;planning verification;completion surveying

工程竣工測繪是施工全過程的最后一道測繪程序，是工程項目規(guī)劃驗收管理的數(shù)據(jù)采集工作，是建設項目轉入生產(chǎn)或使用的節(jié)點，也是全面考核投資效益、檢驗設計和施工質量的重要環(huán)節(jié)。工程竣工測量在測繪儀器選擇上常使用常規(guī)測量通用設備，如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)RTK、全站儀等?，F(xiàn)如今，基礎測繪逐步向三維測繪轉型，測繪對野外工作時間和數(shù)據(jù)質量的要求逐步提高。隨著城市管理法制化進程的推進，竣工測繪較其他測繪在野外數(shù)據(jù)采集上的客觀性和準確性方面提出了更高的要求。

三維激光技術這些年已在工程施工和工程監(jiān)測方面取得了一定的突破性進展。通過其高速度、高效率、高密度的三維點云數(shù)據(jù)獲取方式采集被測物體的三維表面點云數(shù)據(jù)，為工程施工和工程監(jiān)測提供了大量準確的數(shù)據(jù)。隨著三維規(guī)劃管理系統(tǒng)和智慧城市平臺的廣泛應用，城市規(guī)劃管理大多已由二維轉變?yōu)槿S，很多城市都在應用數(shù)字三維建模技術進行規(guī)劃前和規(guī)劃中的三維仿真規(guī)劃管理，實現(xiàn)城市規(guī)劃管理向虛擬平臺上的智慧管理方向轉變。在三維的平臺上設計審批和規(guī)劃，讓項目設計和審批與現(xiàn)狀和未來規(guī)劃相融合，客觀準確地了解設計意圖，運用三維仿真呈現(xiàn)，可直觀形象地論證項目設計的優(yōu)劣，再進行交通、市政、防災等電腦模擬，根據(jù)模擬結果數(shù)據(jù)進行判斷和處理，將使規(guī)劃更加合理有效，讓規(guī)劃管理更加智能化。在三維平臺上進行規(guī)劃核實管理，將使核實工作更加直觀準確，處理結果也更加讓人信服和接受。但受到三維建模技術水平的限制，目前相對較先進的城市三維模型還是以航空傾斜攝影測量建立的三維影像數(shù)據(jù)模型。該類別模型精度差，量測和更新修改不方便，在該模型基礎上運行的三維模擬程序錯誤率高，嚴重影響了規(guī)劃管理和智慧城市的發(fā)展。隨著三維掃描車技術的出現(xiàn)和推廣應用，很多城市都建立了沿街道的帶狀三維激光點云數(shù)據(jù)模型和影像模型，這些三維數(shù)據(jù)的采集大大方便了規(guī)劃管理等三維數(shù)據(jù)分析軟件的應用。但所有這些三維數(shù)據(jù)都有一個共性的缺點，即數(shù)據(jù)更新率不高。即使是資金充足的城市，三維掃描車對城市街道的掃描頻率也做不到每年一次，大部分城市是三維數(shù)據(jù)模型建立起來后就沒有再更新，沒有現(xiàn)勢性較好的三維數(shù)據(jù)庫。在與現(xiàn)實不一致的三維數(shù)據(jù)平臺上進行規(guī)劃設計和分析結論是不準確的，三維分析也就失去了意義。因此，現(xiàn)勢三維數(shù)據(jù)的缺失是影響三維技術的發(fā)展，以及在三維技術基礎上建立的各類智慧分析可靠程度的主要因素，是制約智慧規(guī)劃發(fā)展的根本原因。三維數(shù)據(jù)的更新若采用整體更新的方案一是費用太高，二是沒有連貫性。建立三維數(shù)據(jù)的日常更新機制直接影響在三維平臺上進行的規(guī)劃、防災等技術分析的可靠性。為解決該問題，已建立三維模型的城市有的在規(guī)劃竣工測量中要求測繪單位把建設項目的三維模型一并提交。但目前國內(nèi)竣工測量提交的三維模型一般都是先采用全站儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集的方法生產(chǎn)竣工平面圖，再根據(jù)層高和樓高數(shù)據(jù)拉模建立三維模型，最后使用像片影像貼紋理。這種三維模型看上去很真，實際上由于數(shù)據(jù)的層層加工，數(shù)據(jù)平面位置及尺寸等關鍵數(shù)據(jù)失真嚴重，有時差距還較大，把這些模型嵌切到原有三維數(shù)據(jù)模型中，影響了原有三維數(shù)據(jù)模型的整體精度。另外這樣的模型在數(shù)據(jù)分析時往往會遇到格式不兼容或數(shù)據(jù)錯漏等問題，影響著城市規(guī)劃、防災等三維數(shù)據(jù)分析結果的可靠性，制約著智慧規(guī)劃、智慧城市的發(fā)展。

本文擬探討一種新的測量方案，即融合了三維激光掃描技術、微型遠距離高精度三維激光掃描設備和旋翼無人機技術的測繪方案，通過無人機機載三維激光掃描儀，在測區(qū)低飛后，可以快速準確建立小區(qū)域三維激光點云數(shù)據(jù)模型，配合地面精確三維掃描，生成項目全方位三維激光點云數(shù)據(jù)模型，解決精確高效的數(shù)據(jù)采集要求和智能準確的數(shù)據(jù)分析要求。應用該模型，可使管理者直觀、真實、詳細、準確地了解項目的實際建設情況，為建設過程的規(guī)劃管理提供快速客觀的數(shù)據(jù)，為建設工程完成后提供細致準確高效的建筑竣工數(shù)據(jù)，將極大推動規(guī)劃管理走向高效化和科學化。

1 理論基礎

三維激光技術與無人機技術的結合已在工程施工和管理方面取得了一定的突破性進展。通過拓展應用，采用高速度、高效率、高密度的三維點云影像獲取方式采集被測物體的三維表面點云數(shù)據(jù)，為后續(xù)規(guī)劃竣工驗收提供了豐富的數(shù)據(jù)信息，后期結合立體攝影測量和無人機航攝測量的三維影像建立起來的三維模型建立和應用研究將是城市測繪發(fā)展的方向。

工程竣工驗收設備理論方案：地面采用天寶TX8三維激光掃描儀進行各立面掃描，獲取各立面三維激光點云數(shù)據(jù)，空中采用六軸旋翼無人機搭載有精確貫導技術的北京金景科技的微型遠距離三維激光掃描儀獲取建筑三維激光點云數(shù)據(jù)，兩套數(shù)據(jù)通過控制點校正拼接，構建三維激光云數(shù)據(jù)模型。應用Trimble RealWorks點云處理軟件和天寶容積標定系統(tǒng)測定建筑物的容積，量測層高，測算出建筑物的面積；應用Geomagic Control 3D質量分析軟件進行3D質理分析和模型檢測；應用Trimble Scan Explorer模型瀏覽軟件結合Trimble RealWorks與SketchUp軟件完成激光三維點云數(shù)據(jù)的擴展應用。

三維激光技術與無人機技術在建筑工程驗收中的工作流程如下：

(1) 三維點云數(shù)據(jù)采集，包括立面三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取和屋面無人機影像數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)采集時為保證兩種點云數(shù)據(jù)的位置精確校準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，在被測區(qū)域內(nèi)安置至少3個已知點供三維掃描儀和無人機掃描使用。

(2) 利用Trimble RealWorks大地基準工具對三維掃描儀數(shù)據(jù)及無人機數(shù)據(jù)進行坐標點校準，批量轉換點云數(shù)據(jù)，使坐標系統(tǒng)統(tǒng)一。

(3) 由點云數(shù)據(jù)生成總平面和各層平面的線畫圖?？梢岳肨rimble RealWorks軟件的二維斷面提取功能,對建筑物進行二維斷面圖的提取,生成的二維斷面圖也可以直接導入AutoCAD軟件中，進行編輯和量畫；也可以使用Trimble RealWorks軟件中的線畫工具對實體建筑物或街道進行輪廓的勾畫和制圖。該工具可以生成竣工總平面圖和建筑各層平面圖。

在對某一建筑物測繪各層平面圖時,使用Trimble RealWorks軟件中的二維剖面圖批量生成工具對實體進行多剖面的操作。水平一鍵生成各標高位的剖面，轉繪成該層平面圖，豎直剖面可轉繪成各幢建筑物的建筑高度標示圖，該工具可快速生成竣工測繪報告的各層平面圖和立面圖。

(4) 常規(guī)測量工具的使用包括點坐標的創(chuàng)建，在軟件中使用辦公室測量模塊下的測量工具，對點云數(shù)據(jù)進行精確測量，即進行長度、角度、點坐標的精確測量。在三維激光點云數(shù)據(jù)中，可以將現(xiàn)實建筑搬入電腦中虛擬出來，完全可以做到使用鼠標就可以得到所需的精準數(shù)據(jù)。

(5) 三維MESH網(wǎng)格模型建立，基于三維點云數(shù)據(jù)的多邊形模型創(chuàng)建，創(chuàng)建的模型可以直接導出，并與各種三維軟件兼容。該模型可以更新城市三維數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的其他拓展應用。

(6) 通過設計模型與測量模型的3D比對分析，可直接創(chuàng)建竣工測量數(shù)據(jù)分析報告。應用面與面的檢測分析工具，以切線方式對比可得出設計模型和測量模型的高度曲線差異，生成客觀詳盡的建筑竣工情況分析報告。

2 應用實例

設計出方案后，為了驗證三維激光掃描模型應用于規(guī)劃竣工核實工作中的可行性和有效性，筆者所在單位與北京天拓斯特科技公司合作，在地面用天寶TX8三維掃描儀對某個需要竣工核實的建筑進行三維激光掃描，在天空用無人機搭載有精確貫導技術結合的北京金景科技的微型遠距離三維激光掃描儀獲取建筑三維激光點云數(shù)據(jù)，構建三維激光點云數(shù)據(jù)模型。應用Trimble RealWorks點云處理軟件和天寶容積標定系統(tǒng)測定建筑物的容積，測算出建筑物的面積和退讓尺寸等數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)還可與加載的建筑物的設計模型進行模型比對，直觀標示竣工建筑物與設計建筑物的差異，生成建筑竣工情況分析報告。

試驗選擇一建筑形體較復雜的具有普遍代表性的住宅建筑作為試驗對象，高度約為70 m、建筑面積約為22 000 m2，目的是使試驗數(shù)據(jù)與結果更具有普遍性。試驗結果若為單幢建筑可行，拓展到小區(qū)或綜合體也可以實現(xiàn)。由于激光三維激光掃描的測距為120 m，對于樓高超過100 m的超高建筑，除了地面掃描外，需另輔于空中無人機三維激光掃描方可完成整個項目的激光掃描工作。參與該試驗的技術人員有兩名。為了保證掃描點云的拼接精度和拼接效率，外業(yè)地面采用設置目標球的方法進行掃描，效率略低于不使用目標球的作業(yè)模式，項目外業(yè)總用時一個多小時。外業(yè)數(shù)據(jù)掃描完成后直接導入到天寶RealWorks軟件和天寶掃描瀏覽器軟件中進行建模和數(shù)據(jù)分析。通過軟件可直觀瀏覽三維點云數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)測繪與編輯，也可以提供能夠導入主流CAD軟件的高效數(shù)據(jù)流。通過坐標系導入，每個激光點都有相應的坐標和高程數(shù)據(jù)，由于30 m處的點距精度能達到7.5 mm，建筑物每0.5 cm2范圍內(nèi)就有一個以上點云數(shù)據(jù)，這樣可以保證特征點都有點云數(shù)據(jù)，從而可以保證內(nèi)業(yè)能得出每個特征點相應的坐標和高程數(shù)據(jù)。

該試驗內(nèi)業(yè)方式可以通過RealWorks進行數(shù)據(jù)量測和繪制，也可以把點云數(shù)據(jù)導入CAD軟件中，在CAD平臺上人工精確判讀建筑物的特征點的坐標和高程數(shù)據(jù)，繪制建筑物的各邊界線，直接繪制三維建筑圖，也可量測出筑物的高度、邊長、層高等建筑數(shù)據(jù)，另行繪制建筑竣工圖，生成所需的竣工測量報告。該過程由一位技術員用一天時間即可輕松完成。后期通過軟件開發(fā)可以實現(xiàn)建筑數(shù)據(jù)的軟件自動獲取和報告自動生成，提高內(nèi)業(yè)作業(yè)效率。

項目試驗成果如圖1—圖5，以及表1所示。

圖1 CAD平臺建筑三維點云數(shù)據(jù)

圖2 CAD建筑特定高程平面點云數(shù)據(jù)

用三維激光掃描儀進行竣工建筑測繪，可以直接生成三維點云和三維模型，在此基礎上出具的竣工圖測邊精度與傳統(tǒng)數(shù)字測繪結果一致，用該方法采集數(shù)據(jù)的效率遠高于傳統(tǒng)數(shù)字測繪，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理準確、可靠，數(shù)據(jù)內(nèi)容可反查，質量檢查有保證。該方法作業(yè)適應于絕大多數(shù)建筑竣工測量，對于不規(guī)則建筑的優(yōu)勢更顯著。不足之處是設備投入較高，但若按兩年項目進行折舊分攤的話，該儀器成本對測繪工程成本影響不大。因此可以說，用三維激光掃描儀進行規(guī)劃竣工核實的做法是可行的，為適應日益發(fā)展的智慧規(guī)劃、智慧城市對三維地理基礎數(shù)據(jù)的更新需求，該方式先生成三維點云和三維模型，再生成竣工測繪報告，無論在精度和效率上都有很大優(yōu)勢，是該行業(yè)發(fā)展的方向，必將取代原有全站儀數(shù)字測繪的老方式。

圖3 RealWorks平臺建筑三維點云數(shù)據(jù)

圖4 RealWorks平臺特定高程面點云數(shù)據(jù)

圖5 試驗生成CAD竣工圖

三維激光測量數(shù)據(jù)尺量數(shù)據(jù)誤差7.217.200.0125.3125.33-0.021.201.200.008.608.600.006.016.000.0133.9133.900.0116.4116.42-0.01

3 結 語

經(jīng)過規(guī)劃竣工測量建立起來的數(shù)字三維真實影像模型，除了更新數(shù)字城市中的三維數(shù)據(jù)庫外，還可以進行擴展應用，使數(shù)據(jù)的價值發(fā)揮到極致。數(shù)字三維真實影像模型建立好后，在此基礎上進行二次深度開發(fā)，如旅游系統(tǒng)開發(fā)，可開展網(wǎng)上實景旅游展示、古城保護項目方案設計及展示等深度應用；還可以協(xié)助公共衛(wèi)生監(jiān)督管理、快速處置突發(fā)事件等社會公益事務。在當前的地理信息領域，做軟件不如做設備，做設備不如做數(shù)據(jù)，有了數(shù)據(jù)再加以開發(fā)應用，就能達到最大的經(jīng)濟效益，使地理信息行業(yè)向良性方向發(fā)展。

通過數(shù)字線劃圖智能成圖系統(tǒng)，可以依據(jù)已建成的數(shù)字三維真實影像模型，自動生成線劃地形圖，方便數(shù)字城市中線劃地形圖庫的更新。應用該方法即使從無到有進行地形圖測繪，因其僅需少量GPS基站控制點，減少了外業(yè)工作量，減輕了外業(yè)作業(yè)難度；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理自動化程度高，DEM產(chǎn)品制作效率顯著提高，縮短了產(chǎn)品制作周期；激光具有穿透性，通過全波形回波技術，可獲取樹下地形，制作的DEM高程精度可達到0.1～0.2 m；通過高密集機載點云自動內(nèi)插等高線，僅需少量人工編輯即可獲取等高線要素，山區(qū)線劃圖測繪效率顯著提高，降低了測圖作業(yè)成本。

把數(shù)字三維模型應用于規(guī)劃管理，可以提升城市管理水平，為管理提供翔實、準確、科學的信息支撐。數(shù)字三維模型的應用，使項目在設計審批階段就虛擬出建設后的景象，使設計更加合理、美觀，為重大城市建設項目提供了重要的技術支撐，顯著提升了城市建設水平；數(shù)字三維模型的應用，增強了公眾社會化服務能力，為公眾積極參與城鄉(xiāng)建設與管理提供了新穎、直觀、可視化的服務平臺；數(shù)字三維模型的應用，提高了設計規(guī)劃效率，節(jié)省了大量現(xiàn)狀調(diào)查、方案策劃、規(guī)劃設計時間。

作為智能城市的另一典型應用，智能城市管理中的城市部件管理需要先對城市部件進行建庫，通過建立城市部件的特征，應用特征識別模式在數(shù)字三維真實影像模型中自動識別城市部件并建庫，可省下城市部件數(shù)據(jù)庫建庫的工作和城市規(guī)劃成果展示等相關投入，可以產(chǎn)生較大的經(jīng)濟和社會效益。

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ApplicationofThree-dimensionalLaserModelinPlanning

WANG Wenhui

(Quanzhou Planning Survey Institute,Quanzhou 362000,China)

P258

A

0494-0911(2017)09-0100-04

王文暉.三維激光模型在規(guī)劃中的應用[J].測繪通報，2017(9)：100-103.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0297.

2017-04-27

王文暉(1976—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為傳統(tǒng)測繪的創(chuàng)新與地理信息應用。E-mail：qzghch@163.net