崔 磊，張鳳錄，錢 林

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038 )

三維激光掃描支持下的復(fù)雜異型建筑物測量

崔 磊，張鳳錄，錢 林

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038 )

針對傳統(tǒng)工程測量對異型建筑物測量的局限性，利用地面三維激光掃描儀對復(fù)雜異型建筑物中央電視臺新址大樓進行了測量；介紹了掃描儀的主要組成和作業(yè)流程，重建了建筑物三維立體模型，通過掃描儀和全站儀對圓形特征反射靶標的測量數(shù)據(jù)比對，評估分析了掃描儀測量精度。研究結(jié)果證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜異型建筑物測量的可行性。

三維激光掃描；復(fù)雜異型建筑物測量；三維建模；精度評價

近年來，地面三維激光掃描技術(shù)在土石方測量、文物測繪、滑坡監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測、道路竣工測量等測量工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)工程測量對于特征復(fù)雜的異型建筑物測量具有一定的局限性，國內(nèi)一些學(xué)者對異型建筑物結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測及竣工測量進行了相關(guān)研究，取得了一定成果。謝宏全[1]、張平[2]等對城市異形建筑物進行了掃描測量，計算了建筑物面積，對掃描測量精度進行了評價，證明三維激光掃描技術(shù)在異型建筑物測量方面具有較好的應(yīng)用前景；胡章節(jié)等[3]研究證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在建筑物工程規(guī)劃竣工測量中的可行性；丁延輝[4]、吳靜[5]等利用地面三維激光掃描技術(shù)對建筑物進行掃描和模型重建，取得了較好效果；冒愛泉[6]等對地面三維激光掃描儀精度測評方法和誤差改正方法進行了研究，給出了掃描儀誤差改正模型，為掃描儀點云的糾正處理提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)模型。

本文利用Riegl VZ-400地面三維激光掃描儀對具有大量鋼結(jié)構(gòu)和大面積玻璃幕墻的復(fù)雜異型建筑物進行了掃描測量，重建了三維模型，掃描測量了建筑物基體圓形平面特征反射片，并利用全站儀測量結(jié)果評估了掃描儀點位測量精度，取得了較好效果。

1 系統(tǒng)工作原理和作業(yè)流程

1.1 工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)是利用光學(xué)非接觸測量方式快速獲取空間地物高精度三維數(shù)據(jù)，通過對三維點云數(shù)據(jù)的分析處理和坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，重建被掃描物體的三維模型。

激光發(fā)射裝置發(fā)出光束經(jīng)掃描控制單元偏轉(zhuǎn)后入射到物體表面，根據(jù)TOF激光脈沖測距原理獲得激光光束發(fā)射點到被測物體的斜距，結(jié)合光束在垂直和水平方向的偏轉(zhuǎn)角度，計算得到物體表面測量點在儀器內(nèi)部坐標系的空間位置坐標。其中光束垂直和水平方向偏轉(zhuǎn)通過光學(xué)平面反射鏡和伺服馬達驅(qū)動實現(xiàn)。

利用網(wǎng)絡(luò)RTK對掃描區(qū)域進行控制測量，通過空間布設(shè)的特征靶標實現(xiàn)掃描儀內(nèi)部坐標系與相機坐標系的位置關(guān)系轉(zhuǎn)換。

1.2 作業(yè)流程

地面三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)流程分為前期規(guī)劃、控制測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重建與應(yīng)用。

根據(jù)任務(wù)需求對掃描環(huán)境現(xiàn)場踏勘，根據(jù)測量場景大小、復(fù)雜程度和工程精度要求，確定掃描路線、掃描站點，確定掃描站數(shù)、掃描儀至掃描場景的距離和掃描密度。

控制測量布設(shè)的控制點與掃描站通視，以實現(xiàn)坐標系的統(tǒng)一和多站數(shù)據(jù)的拼接[7]。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的掃描路線布設(shè)站點，實施掃描與拍照。初步分析掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證采集數(shù)據(jù)量既不缺失，又不過度冗余，避免二次測量和數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生不必要的工作量[8]。

數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠的點云數(shù)據(jù)，降低模型重建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的質(zhì)量。根據(jù)掃描場景和數(shù)據(jù)特點對區(qū)域劃分，分別進行點云濾波和分割，對不同站點間掃描數(shù)據(jù)進行配準融合[9]。

對處理后的點云數(shù)據(jù)進行建模，利用拍攝圖片進行紋理映射，對于規(guī)則表面和特征豐富的多維曲面區(qū)別對待，提高建模精度和工作效率[10]。

模型可視化和應(yīng)用對建立的模型進行優(yōu)化和數(shù)據(jù)整理，提取特征線、量測特征尺寸，計算特征面積和體積，監(jiān)測并分析預(yù)測建筑物形變，為用戶提供滿足應(yīng)用需求的三維模型和應(yīng)用服務(wù)。

2 異型建筑物測量實例

地面三維激光掃描測量對象為中央電視臺新址大樓，其地上51層，地下3層，建筑總面積約48萬m2，兩座塔樓雙向內(nèi)傾斜約6°，163 m以上部分通過L形懸臂結(jié)構(gòu)連為一體。建筑物外表面由復(fù)雜不規(guī)則幾何圖案組成，具有大量鋼結(jié)構(gòu)和大面積玻璃幕墻，造型獨特、結(jié)構(gòu)新穎，屬國內(nèi)外特大異型建筑物。

采用的Riegl VZ-400地面三維激光掃描儀性能指標見表1。

系統(tǒng)掃描測量作業(yè)流程如圖1所示。系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作包括控制測量、激光掃描和影像采集；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括點云數(shù)據(jù)拼接、坐標系轉(zhuǎn)換、工程圖制作、數(shù)據(jù)建模、紋理貼圖和精度分析等。

圖1 系統(tǒng)作業(yè)流程

利用網(wǎng)絡(luò)RTK現(xiàn)場布設(shè)外業(yè)控制測量點，控制點與掃描站通視，粘貼特征反射片，實現(xiàn)掃描各站點間數(shù)據(jù)拼接和坐標轉(zhuǎn)換。為保證自動提取反射片中心坐標的精度，控制點間距在100 m以內(nèi)。

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，掃描測量設(shè)站23站，利用公共反射片實現(xiàn)站與站之間的點云數(shù)據(jù)拼接，拼接精度優(yōu)于5 mm。掃描作業(yè)過程中始終使用相同控制點，每次掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標系轉(zhuǎn)換后至同一坐標系下。利用現(xiàn)場布設(shè)的控制點實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)坐標系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于1 cm。對拼接后的點云進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)濾波和平滑處理，處理后的三維點云模型如圖2所示。

圖2 掃描點云數(shù)據(jù)

根據(jù)點云數(shù)據(jù)重構(gòu)三維模型，繪制建筑物的立面圖、平面圖和剖面圖。建筑物三維模型如圖3所示，建筑物東立面如圖4所示。

在建筑物基體按序選擇10個點粘貼圓形特征反射片，掃描儀對反射片測量，提取反射片靶標中心坐標，坐標系統(tǒng)一到控制點坐標系下；利用免棱鏡全站儀測量反射片，獲得反射片在控制點坐標下的坐標，將掃描儀測量結(jié)果和全站儀測量結(jié)果進行比對，點位坐標測量結(jié)果見表2。利用反射片靶標中心坐標計算反射片靶標中心距離，并與全站儀測量結(jié)果進行比對，測量結(jié)果見表3。

圖3 建筑物三維模型

圖4 建筑物東立面

序號全站儀測量坐標掃描儀測量坐標XYXYΔXΔY1509021．551305161．962509021．528305161．9430．0230．0192509047．368305186．528509047．354305186．5110．0140．0173509085．247305259．217509085．258305259．237-0．011-0．024509101．398305227．279509101．381305227．2540．0170．0255509128．621305255．361509128．637305255．342-0．0160．0196509152．349305304．214509152．31305304．2620．039-0．0487509170．584305336．353509170．597305336．368-0．013-0．0158509198．463305370．128509198．454305370．1570．009-0．0299509207．625305390．355509207．643305390．318-0．0180．03710509232．658305392．843509232．67305392．827-0．0120．016

表3 掃描儀與全站儀量邊測量數(shù)據(jù)對比 m

為保證掃描儀測量的精度和可靠性，掃描儀測量反射片距離跨度為100～300 m，由表2、表3測量數(shù)據(jù)計算得到掃描儀點位測量中誤差和量邊測量中誤差分別為3.3和1.1 cm，滿足建筑物工程規(guī)劃竣工測量要求。

測量結(jié)果證明了地面三維激光掃描應(yīng)用于復(fù)雜異型建筑物測量的可行性，可有效地提高作業(yè)效率，通過豐富的點云數(shù)據(jù)可快速獲取建筑物特征點、特征面、特征體的相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)，為建筑物變形監(jiān)測和沉降觀測提供可靠依據(jù)。

本次測量中央電視臺新址大樓結(jié)構(gòu)大多是鋼結(jié)構(gòu)，外表玻璃幕墻的材質(zhì)影響了激光掃描測量獲取數(shù)據(jù)的準確性，以及數(shù)據(jù)拼接的質(zhì)量和三維建模的質(zhì)量；其地上建筑51層，為保證掃描儀的測量速度，地面三維激光掃描儀距建筑物的距離比較近，對建筑物高層測量時掃描仰角較大，獲取的建筑物高層點云數(shù)據(jù)質(zhì)量不高且大量數(shù)據(jù)丟失，對建筑物高層的掃描測量和建模質(zhì)量產(chǎn)生了較大影響。3 結(jié)束語

利用Riegl VZ-400地面三維激光掃描儀對具有大量鋼結(jié)構(gòu)和大面積玻璃幕墻表面的特大異型建筑物進行了掃描測量，重建了建筑物三維模型。利用掃描儀和全站儀對圓形特征反射片的測量數(shù)據(jù)比對，評估分析了掃描儀點位測量精度。測量結(jié)果證明了地面三維激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用于異型建筑物測量的可行性，在復(fù)雜異型建筑物特征點、特征面、特征體的量測和變形監(jiān)測分析等方面具有一定的優(yōu)勢。

[1] 謝宏全，張馳，尹吉祥，等．利用三維激光掃描技術(shù)進行異型建筑物竣工測量[J]．測繪通報，2015(11): 72-75．

[2] 張平，黃承亮，朱清海，等．基于三維激光掃描技術(shù)的異型建筑物建筑面積竣工測量[J]．測繪與空間地理信息，2014，37(5): 222-224．

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[9] 吳晨亮．基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物逆向建模研究[J]．北京測繪，2013(5): 9-11．

[10] 楊林，盛業(yè)華，王波．利用三維激光掃描技術(shù)建筑物室內(nèi)外一體化建模方法研究[J]．測繪通報，2014(7):27-30．

StudyonComplexShapedBuildingMeasurementBasedon3DLaserScanningSystem

CUI Lei，ZHANG Fenglu，QIAN Lin

(Beijing Institute of Surveying and Mapping, Beijing 100038, China)

In order to improve the operational efficiency and the results quality of the complex shaped building, a measuring method of the CCTV new site building based on 3D laser scanning system is designed and implemented. First, the principle and the integrated operational procedures of the 3D terrestrial laser scanning system are presented. Then, three-dimensional model of the CCTV new site building are measured and reconstructed. Finally, accuracy evaluation is accomplished by measuring the plane reflective targets based on scanning system and total station, as a reliable basis for measuring and analyzing the complex shaped building.

3D laser scanning; complex shaped building measuring; three dimensional modeling; accuracy evaluation

P237

A

0494-0911(2017)01-0112-03

崔磊，張鳳錄，錢林.三維激光掃描支持下的復(fù)雜異型建筑物測量[J].測繪通報，2017(1)：112-114.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0024.

2016-07-25

崔 磊(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為三維激光掃描和工程測量。E-mail: cuilei125@163.com