李文國(guó)

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

1 前 言

隨著建筑設(shè)計(jì)及施工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的異形建筑。異形建筑顧名思義即特殊形狀的建筑體，主要指建筑幕墻表面整體的形態(tài)呈曲面而表現(xiàn)出較為特殊的立面及空間效果，展現(xiàn)出極強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力和感染力。針對(duì)一般建筑的竣工測(cè)量，因外輪廓垂直地面、平面形狀較為規(guī)整，采用傳統(tǒng)儀器方法即可完成數(shù)據(jù)采集，如全站儀、GPS-RTK。但是傳統(tǒng)的測(cè)量方法均是相互獨(dú)立的單點(diǎn)測(cè)量模式，異形建筑特征點(diǎn)難以取舍，內(nèi)業(yè)成圖各構(gòu)筑物要素不易表達(dá)[1]，難以全面反映異形建筑在空間的連續(xù)變化情況，尤其是外輪廓呈現(xiàn)為曲面、剖面為曲線的異形建筑，若繼續(xù)采用傳統(tǒng)測(cè)量方法，不僅工作量大，而且測(cè)量難度也大。

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量模式，以點(diǎn)云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數(shù)據(jù)，為異形建筑的竣工測(cè)量提供了很好的解決方案。由于三維激光掃描技術(shù)具有良好的技術(shù)特性，已逐步應(yīng)用于各相關(guān)領(lǐng)域，部分學(xué)者探索過(guò)三維激光掃描技術(shù)在異形建筑、結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑、超大規(guī)模建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用研究[1～3]，該方法在異形建筑物的竣工測(cè)量中具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)[1]。

近年來(lái)，低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，具有便利性強(qiáng)、成本低、功能多、靈活性高的特點(diǎn)[4]，在獲取正射影像圖、三維建模、智慧城市建設(shè)、城市規(guī)劃、應(yīng)急救災(zāi)等方面都有廣泛的應(yīng)用，為解決工程領(lǐng)域的難題提供了新的解決思路。有學(xué)者研究過(guò)無(wú)人機(jī)在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[4～6]，可滿足規(guī)劃竣工地形圖的精度要求，能夠極大地提高地形圖繪制效率，同時(shí)獲取直觀影像，既豐富了竣工測(cè)量成果，也為立面圖的繪制、面積分層計(jì)算提供了很好的判別依據(jù)。因而，針對(duì)異形建筑的竣工測(cè)量，將三維激光掃描技術(shù)和低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，既可以解決異形建筑物信息獲取問(wèn)題，又可以提高作業(yè)效率，是一個(gè)值得研究的方向。

2 三維激光掃描技術(shù)在異形建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 三維激光掃描竣工測(cè)量流程

三維激光掃描技術(shù)是一種全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，可以深入到任何復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，大面積、高分辨率的快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。針對(duì)異形建筑表面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)不易準(zhǔn)確獲取的情況，可利用地面三維激光技術(shù)獲取建筑物密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并輔助傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法，通過(guò)相關(guān)技術(shù)手段精確、快速地繪制建筑物平面、立面等圖形。作業(yè)流程如圖1所示。

2.2 異形建筑分層面積計(jì)算

異形建筑剖面外輪廓一般為曲線或斜線，分為外傾斜或內(nèi)傾斜。根據(jù)面積計(jì)算相關(guān)規(guī)范，建筑物墻體有內(nèi)傾斜、曲線等非垂直面墻體構(gòu)成，按層高在 2.20 m以上，或無(wú)法直接測(cè)量層高時(shí)按其室內(nèi)凈空 2.10 m以上部分(含 2.10 m)的水平投影計(jì)算全部建筑面積；建筑物墻體外傾斜時(shí)，超出底板外沿的，按底板外沿計(jì)算全面積[7]。外傾斜面積計(jì)算與內(nèi)傾斜面積計(jì)算如圖2、圖3所示。

圖1 三維激光掃描測(cè)量作業(yè)流程

圖2 外傾斜面積計(jì)算

圖3 內(nèi)傾斜面積計(jì)算

采用三維激光掃描技術(shù)獲取異形建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用切片法獲取分層平面點(diǎn)云，剔除噪聲點(diǎn)云后采用擬合法對(duì)提取出的平面點(diǎn)云擬合出輪廓走向，得到分層平面圖，進(jìn)而計(jì)算出各層建筑面積。

2.3 異形建筑立面圖制作

立面圖表示出的內(nèi)容應(yīng)能體現(xiàn)出建筑造型的特點(diǎn)，主要由能表現(xiàn)出建筑物基本形狀和重要特征的輪廓線構(gòu)成。常規(guī)建筑的外輪廓垂直地面、平面形狀較為規(guī)整，立面圖繪制較為簡(jiǎn)單，異形建筑的外輪廓為曲線或不規(guī)則斜線，常規(guī)繪制方法需經(jīng)全站儀采集數(shù)據(jù)并經(jīng)內(nèi)業(yè)擬合，無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)立面特征，且繪制復(fù)雜，可基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，經(jīng)局部修補(bǔ)即可生成精確的立面圖。具體流程如圖4所示：

圖4 立面圖繪制流程圖

3 低空無(wú)人機(jī)在異形建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用

低空無(wú)人機(jī)作為一種現(xiàn)階段較為成熟的低空對(duì)地觀測(cè)手段，具有易于操控、獲取影像周期短、作業(yè)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)航線交叉飛行，可以獲取 1∶500竣工地形圖、正射影像圖、三維影像圖，相對(duì)于常規(guī)測(cè)量方式，不僅能提升生產(chǎn)效率，還能為規(guī)劃竣工驗(yàn)收提供更為豐富、直觀的數(shù)據(jù)信息，輔助行政審批部門管理決策。低空無(wú)人機(jī)航空攝影輔助竣工測(cè)量流程如圖5所示。

圖5 低空無(wú)人機(jī)航空攝影輔助竣工測(cè)量流程

4 應(yīng)用案例

4.1 工程概況

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心(以下簡(jiǎn)稱“審協(xié)廣東中心”)隸屬國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局，位于中新廣州知識(shí)城，審協(xié)廣東中心鳥(niǎo)瞰圖如圖6所示，總占地面積 66 669 m2，包括多幢異形建筑體，總建筑面積近20萬(wàn)平方米。審協(xié)廣東中心采用GRC內(nèi)外一體式幕墻體系，建筑物外輪廓呈現(xiàn)為曲面、剖面為曲線，其外廓帶有曲面、斜面和退層，并有一定的傾斜角度，作為規(guī)劃竣工驗(yàn)收測(cè)量重要成果的建筑平面和立面信息數(shù)據(jù)，使用常規(guī)測(cè)量方法難以獲取。

圖6 審協(xié)廣東中心鳥(niǎo)瞰圖

4.2 作業(yè)流程

審協(xié)廣東中心建筑體造型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，采用了三維激光掃描技術(shù)、低空無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，利用廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺(tái)，生成建筑物平面位置關(guān)系圖、竣工測(cè)量地形圖、面積計(jì)算示意圖、立面線圖，測(cè)量流程如圖7所示。

4.3 面積計(jì)算

本工程利用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀獲取建筑物海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后期采用RiscanPro及3ds Max處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用彎管目鏡輔助全站儀三角高程法測(cè)量各層建筑物標(biāo)高，如圖8所示，得到各層樓高。根據(jù)建筑物墻體內(nèi)外傾斜不同情況，設(shè)置不同的切片高度，如圖9所示，切片獲取分層平面點(diǎn)云，經(jīng)處理后擬合平面輪廓，進(jìn)而計(jì)算得到各層建筑面積。

圖7基于三維激光掃描、低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的竣工測(cè)量流程

圖8 點(diǎn)云切片標(biāo)高設(shè)置

圖9 分層切面線生成

4.4 繪制立面圖

將已提取的建筑物特征點(diǎn)云導(dǎo)入3ds Max中，通過(guò)建筑物CCD數(shù)字圖像等輔助信息，對(duì)特征點(diǎn)云經(jīng)人機(jī)交互特征追蹤進(jìn)行連接。經(jīng)過(guò)上述操作之后，特征點(diǎn)集被轉(zhuǎn)換為輪廓線集，實(shí)現(xiàn)了建筑物的立面模型重建。此外，由于樹(shù)木等障礙物的遮擋，建筑物特征線會(huì)出現(xiàn)空洞或斷續(xù)現(xiàn)象，則根據(jù)CCD數(shù)字圖像、實(shí)測(cè)尺寸等信息對(duì)空洞區(qū)域或未連接的部分進(jìn)行修補(bǔ)和連接，從而構(gòu)建出完整的建筑物立面線劃圖，如圖10所示。

圖10 建筑物立面線劃模型生成

4.5 制作影像圖、竣工地形圖

采用瑞士生產(chǎn)的ebee無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)審協(xié)廣東中心地塊進(jìn)行低空航空攝影測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)使用隨機(jī)飛控軟件設(shè)置飛行區(qū)域、劃分航線，分辨率設(shè)置為 5 cm，旁向重疊與航向重疊均為70%，飛行模式為交叉飛行，以便制作三維模型。飛行一個(gè)架次，共生產(chǎn)25條航線，飛行時(shí)間約 30 min。外業(yè)飛行完畢后，利用eMotion2軟件和Postflight Terra 3D軟件后處理航片，生產(chǎn)三維模型和正射影像圖，基于EPS平臺(tái)輔助制作竣工測(cè)量地形圖，正射影像圖如圖11所示。

圖11 正射影像圖

經(jīng)綜合采用三維激光掃描技術(shù)、低空無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量等測(cè)量方法，最終生產(chǎn)的成果包括控制測(cè)量資料、面積計(jì)算資料、竣工測(cè)量平面圖、竣工測(cè)量立面圖、竣工測(cè)量地形圖、正射影像圖、三維模型，提高了工作效率，為行政審批部門提供了翔實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的加快，施工技術(shù)的進(jìn)步，異形建筑以其獨(dú)特的面貌出現(xiàn)在世人面前，在帶來(lái)視覺(jué)沖擊的同時(shí)，也給竣工測(cè)量帶來(lái)了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)竣工測(cè)量方式已無(wú)法滿足審批部門對(duì)精度、時(shí)效、規(guī)劃管理的需求。本文以審協(xié)廣東中心為實(shí)例，介紹了三維激光掃描技術(shù)、低空無(wú)人機(jī)應(yīng)用于異形建筑竣工測(cè)量的思路和方法，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑面積測(cè)量、立面圖測(cè)制，采用低空無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行竣工地形圖測(cè)量、三維模型與正射影像圖制作，解決了異形建筑物分層面積計(jì)算及平面圖、立面圖、竣工測(cè)量地形圖繪制問(wèn)題，提高了工作效率。