朱龍軍，周雋

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

規(guī)劃驗收測量是針對規(guī)劃驗收而進(jìn)行的一種核實測量。規(guī)劃驗收測量需要核實的內(nèi)容相對較多，以重慶市建筑工程規(guī)劃驗收地形測量為例，主要包括以下內(nèi)容：建筑條件點的驗測；建筑的±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高點標(biāo)高驗測；驗收建筑所在地塊及周邊 30 m范圍內(nèi)現(xiàn)狀地形。

按照《城市測量規(guī)范》要求，在進(jìn)行規(guī)劃驗收測量時，平面控制點的等級不應(yīng)低于三級，高程為圖根高程，在控制點稀少地區(qū)，三級導(dǎo)線可同級附合一次；條件點應(yīng)在三級點上測量2次，點位較差應(yīng)在 ±50 mm內(nèi)，成果取平均值，條件許可時也采用雙極坐標(biāo)法、網(wǎng)絡(luò)RTK法測量；建筑物標(biāo)高采用電磁波測距三角高程測量法時，應(yīng)變換儀器高或覘標(biāo)高測兩次，兩次測量的較差在 ±100 mm之內(nèi)時，成果取用平均值。規(guī)劃驗收測量的精度要求為涉及規(guī)劃條件的地物點相對鄰近圖根點的點位中誤差不應(yīng)大于 50 mm，地物點之間的間距中誤差不應(yīng)大于 70 mm；其他地物點相對鄰近圖根點的點位中誤差不應(yīng)大于 70 mm，地物點之間的間距中誤差不應(yīng)大于 100 mm。地物點的高程中誤差不應(yīng)大于 40 mm。

傳統(tǒng)測量方式進(jìn)行建筑規(guī)劃驗收測量存在以下難點：建筑間距較小，且受現(xiàn)場施工影響，控制點布設(shè)困難，控制點的邊長難以達(dá)到三級要求；條件點需雙極坐標(biāo)法測量且點位較差在 ±50 mm內(nèi)，在兩個三級控制點上同時觀測一個條件點，現(xiàn)場實施難度大；規(guī)劃驗收測量需核實內(nèi)容多，外業(yè)測量時間較長。

采用基于視覺跟蹤拼接和自由設(shè)站的三維激光掃描技術(shù)快速獲取項目的點云數(shù)據(jù)，然后對原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、切片、提取特征點處理，并通過切片的點云數(shù)據(jù)繪制建筑輪廓線，經(jīng)過外業(yè)驗證比對，各項精度均滿足規(guī)范要求。與傳統(tǒng)測量方式相比，利用三維激光掃描能極大提高建筑規(guī)劃驗收測量的效率。

2 技術(shù)路線

2.1 儀器簡介

徠卡RTC360三維激光掃描儀由三維激光掃描頭、3個HDR相機(jī)和內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)組成，還配置了工作時架放儀器的三腳架和方便查看數(shù)據(jù)的平板電腦，腳架每邊分為四節(jié)，可根據(jù)高度需求自由縮放；外業(yè)數(shù)據(jù)采集時可通過平板電腦實時查看數(shù)據(jù)和點云拼接情況。

徠卡RTC360三維激光掃描儀同其他掃描儀相比具有以下優(yōu)點：操作簡單，儀器無須整平，一鍵式操作；外業(yè)作業(yè)時間短，掃描速度高達(dá)200萬點每秒，單站掃描加拍照最快只需 2 min；智能拼接，基于VIS視覺追蹤技術(shù)，實時計算連續(xù)站點間的相對位置，提供精確點云拼接。

采用RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行建筑規(guī)劃驗收測量，其作業(yè)流程主要分為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云測圖、精度檢查5大部分，如圖1所示。

2.2 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備工作分為實地踏勘、路線規(guī)劃和布設(shè)控制3個步驟。前期通過對測區(qū)地形情況的了解，初步規(guī)劃好測站架設(shè)位置和完成控制點的布設(shè)。測區(qū)一般布設(shè)5個控制點，其中測區(qū)4個角各一個，測區(qū)中心一個，根據(jù)場地大小可加密布設(shè)控制點。在布設(shè)控制點前應(yīng)在高等級控制點上對儀器進(jìn)行檢核，平面位置較差絕對值不應(yīng)大于 5 cm，高程檢核較差不應(yīng)大于 7 cm。按照規(guī)范要求，建筑規(guī)劃驗收測量的控制點為三級控制點。

圖1 作業(yè)流程

2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集階段分為架設(shè)測站、掃描標(biāo)靶和數(shù)據(jù)檢查3個步驟。根據(jù)前期準(zhǔn)備工作中規(guī)劃好的掃描路線，逐站架設(shè)三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，相鄰測站間的距離宜保持在 15 m左右，保證相鄰測站間的點云重疊度在30%以上。在掃描過程中可以根據(jù)項目的需求選擇點云密度，有低、中、高三個等級可供選擇。如果需要獲取點云的RGB信息，可以選擇拍照功能。在每一站掃描完成后可以通過平板電腦檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量和拼接情況。因為最終需要的成果是地方獨立坐標(biāo)系，所以需要對控制點進(jìn)行掃描，方便數(shù)據(jù)處理時對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在對控制點進(jìn)行掃描時，需要將掃描儀架設(shè)在離控制點 7 m以內(nèi)，保證后期數(shù)據(jù)處理時正確識別標(biāo)靶，記錄每個標(biāo)靶的高度。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理分為點云拼接、添加控制點和數(shù)據(jù)輸出3個步驟。數(shù)據(jù)預(yù)處理是在Cyclone Register 360軟件中進(jìn)行的。點云拼接是將具有重疊點云的兩個測站拼接到一起，每一棟建筑的連接線都應(yīng)閉合，最終使所有的連接線形成一張由多個閉合多邊形組成的網(wǎng)。Cyclone Register 360軟件提供了兩種點云拼接方法：一種是在平面視圖和高程視圖上分別使用平移、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行拼接；另一種是通過選取3個公共點進(jìn)行拼接。當(dāng)點云拼接精度滿足要求后，需要將點云轉(zhuǎn)換到地方獨立坐標(biāo)系。在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時，首先將控制點導(dǎo)入到項目中，然后把標(biāo)靶名稱改為對應(yīng)的控制點名后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在完成點云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后，就可以輸出拼接報告和點云數(shù)據(jù)。Cyclone Register 360軟件提供了PTS、E57和PTX等多種點云格式，可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

2.5 點云測圖

點云測圖分為點云去噪、點云切片、提取特征點和繪制建筑輪廓線四個步驟。點云測圖是在Trimble Realworks和清華三維EPS軟件中進(jìn)行的。首先將拼接好的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Trimble Realworks軟件中，為了方便數(shù)據(jù)處理，需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，刪除項目范圍外的冗余數(shù)據(jù)；然后根據(jù)建筑物的實際情況，選擇合適的位置進(jìn)行切片處理，切片的厚度設(shè)為8cm，并把切片點云以DXF的格式進(jìn)行輸出；再在點云模型上選取每棟建筑的±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高點、房角點，并結(jié)合項目竣工圖制作高度表；最后將切片點云導(dǎo)入清華三維EPS軟件中，繪制建筑物的外輪廓線、添加屬性，完成竣工圖的繪制。

2.6 精度檢查

竣工圖測繪完成后需要對其平面、高程和邊長精度進(jìn)行檢查?？梢酝ㄟ^全站儀外業(yè)實測部分主要房角點、±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高點來進(jìn)行比較。

3 應(yīng)用實例

3.1 項目概況

該項目是位于重慶市兩江新區(qū)的某個別墅小區(qū)，共有16棟建筑，均為3層，建筑高度約為 12.5 m，整個項目面積約為90畝，具體范圍如圖2所示。由于在進(jìn)行建筑規(guī)劃驗收地形測量時該項目還沒有完全完工，測區(qū)范圍內(nèi)主要以房屋為主，只有少量的綠化，遮擋情況較少，適合利用三維激光掃描儀進(jìn)行測量。

圖2 項目范圍

3.2 數(shù)據(jù)采集

在本項目中共布設(shè)了5個三級控制點，每個控制點測量四測回，每個測回平面較差不超過 2 cm，高程較差不超過 3 cm，以保證控制點的精度。在使用RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時共架設(shè)了86站，采用低密度、不拍照的掃描方式，外業(yè)采集時間約為 6 h。測站主要架設(shè)在房角、門廊、建筑凹陷處，測站間的距離控制在 15 m～20 m之間，保證采集到完整的點云數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

將掃描的點云數(shù)據(jù)和控制點數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Cyclone Register 360軟件中。由于RTC360掃描儀具有VIS視覺追蹤技術(shù)，因此連續(xù)相鄰兩站一般是拼接好的，只需要在測站之間添加連接并對局部拼接精度不高的區(qū)域進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，最終讓所有測站連成一張網(wǎng)，如圖3所示。當(dāng)拼接完成后，對整個點云運用控制，將點云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地方獨立坐標(biāo)系。最后將點云的拼接報告和點云數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，部分點云拼接精度如表1所示。從拼接報告中可以看到，最大拼接誤差為 24 mm，最小的為 10 mm，控制點誤差最大為 3 mm，最小為 1 mm，滿足拼接要求。

圖3 拼接后點云

點云拼接精度統(tǒng)計表 表1

3.4 竣工圖測繪

將拼接好的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Trimble Realworks軟件中，可以看到整個測區(qū)的點云情況，如圖4所示。外業(yè)采集數(shù)據(jù)時，掃描了許多測區(qū)外的點云，為了減少數(shù)據(jù)冗余、方便后期處理，需要先將這部分點云刪除掉。在進(jìn)行點云切片之前，需要將每棟建筑分割出來，各自放到一個文件夾里。在進(jìn)行切片處理時需要選擇一個合適的高度，盡量避開門窗，獲取完整的外輪廓線，切片厚度一般設(shè)置為 8 cm。對獲得的切片文件需要先刪除內(nèi)部多余的點，然后以dxf格式進(jìn)行輸出。

建筑規(guī)劃驗收測量除了需要測量建筑的輪廓線外，還需要測量建筑的±0層標(biāo)高、屋頂標(biāo)高、建筑制高，直接在點云模型上選取每棟建筑物的特征點并結(jié)合項目竣工圖制作高度表。

將每棟建筑的切片文件導(dǎo)入到清華三維EPS軟件中，根據(jù)點云繪制房屋竣工圖，并添加樓層和高度信息。對于測區(qū)內(nèi)的其他地物、地貌信息，可以直接在Trimble Realworks軟件中提取，最終將提取到的地物信息合并到房屋竣工圖中，經(jīng)過圖面整飾，得到最終成果，如圖5所示。

圖4 點云模型

圖5 項目成果

3.5 作業(yè)效率對比

在本項目中對使用全站儀測量和三維激光掃描儀測量兩種不同的作業(yè)模式的作業(yè)時間進(jìn)行了統(tǒng)計，其結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出使用三維激光掃描儀進(jìn)行測量可以大幅度縮減外業(yè)測量時間，雖然內(nèi)業(yè)時間稍有增加，但總作業(yè)時間還是僅為傳統(tǒng)方式的二分之一。

作業(yè)效率統(tǒng)計表 表2

3.6 成果精度評定

為了檢查根據(jù)點云模型繪制的地形圖精度，使用徠卡TS09全站儀外業(yè)測量了部分主要房角、正負(fù)零標(biāo)高、頂高、制高進(jìn)行比較，其中平面點43個，高程點34個，分別進(jìn)行平面和高程精度統(tǒng)計，如表3、表4所示。并選取了30條邊同測距儀測量結(jié)果進(jìn)行比較，邊長精度統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

平面精度統(tǒng)計表 表3

高程精度統(tǒng)計表 表4

邊長精度統(tǒng)計表 表5

平面點位較差最小為0.4 cm，最大為 2.8 cm，點位中誤差為 1.33 cm。從圖6中可以看出，平面點位較差基本分布在 0 cm～3 cm內(nèi)，滿足建筑規(guī)劃驗收測量條件點驗測精度要求。

圖6 平面精度分布

圖7 高程精度分布圖

高程最大誤差為3.9 cm，最小為 -3.8 cm，高程中誤差為 1.97 cm，并且高程較差基本分布在 -4 cm～4 cm內(nèi)(圖7)，滿足建筑規(guī)劃驗收測量高程精度要求。

邊長較差中誤差為0.72 cm，從圖8中可以看出邊長最大誤差為 1.8 cm，最小為 -1.5 cm，并且邊長精度基本分布在 -2 cm～2 cm內(nèi)，滿足建筑規(guī)劃驗收測量邊長精度要求。

圖8 邊長精度分布圖

4 結(jié) 語

采用基于視覺跟蹤拼接和自由設(shè)站的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑規(guī)劃驗收測量，可獲得高密度和高精度的點云，最終成果平面中誤差為 1.33 cm，高程中誤差為 1.97 cm，完全滿足建筑規(guī)劃驗測量的要求。在實際操作過程中也存在一些問題，為了獲得每棟建筑的完整點云，需要架設(shè)較多測站，當(dāng)測區(qū)范圍較大的時候，數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出時間較長；RTC360掃描儀的有效掃描距離約為 70 m，這也限制了其只能在中低樓層使用?？傮w來看，采用基于視覺跟蹤拼接和自由設(shè)站的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑規(guī)劃驗收測量，可以極大程度地減少外業(yè)工作量，提高工作效率，同時確保了成果的準(zhǔn)確性。