許艷博 馬金榮 李 毅 王忠勤

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

隨著城市化進程腳步的加速,可供利用的土地資源變得越來越稀缺,為了滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?地下空間為我們提供了新的活動場所,它的合理開發(fā)、科學(xué)管理變得越來越重要[1]。地下空間的主要測繪內(nèi)容包括:地下空間的埋深、范圍線角點坐標(biāo)、地上地下建筑物的相對位置關(guān)系、地下空間室內(nèi)地坪高程、凈空、房屋分間等。20世紀(jì)六七十年代,北京在“備戰(zhàn)、備荒、為人民”的戰(zhàn)略方針下,開展了聲勢浩大的防空工事建設(shè)工程,全民齊上,挑燈夜戰(zhàn),學(xué)校操場下面縱橫交錯也構(gòu)筑了不少地下人防設(shè)施。在當(dāng)時的歷史背景下,這些地下空間沒有設(shè)計施工圖紙,時至今日要對其進行合理開發(fā)利用,需要進行地下空間測量。

三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、非接觸等特點,實現(xiàn)了外業(yè)工作高效化,同時也獲得了更為豐富的數(shù)據(jù)信息[2]。本文采用徠卡RTC360三維激光掃描儀對北京某學(xué)校地下空間進行測量,外業(yè)數(shù)據(jù)采集一次完成,極大提高了作業(yè)效率,經(jīng)過相對尺寸對比,驗證了站式三維激光掃描精度,為今后開展地下空間測繪提供參考。

1 地下空間傳統(tǒng)測量方法及難點

1.1 傳統(tǒng)測量方法

采用傳統(tǒng)測量方法主要任務(wù)包括:地上控制測量、聯(lián)系測量、地下控制測量、地下空間數(shù)據(jù)獲取等[3]。地上控制點可以利用網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic,RTK)布設(shè)控制點,也可以根據(jù)現(xiàn)場情況布設(shè)導(dǎo)線點。因為地下空間出入口位置是固定的,為了提高地下控制點的精度,盡量在出入口附近布設(shè)控制點。高程采用水準(zhǔn)儀聯(lián)測附近已知高程點。聯(lián)系測量的目的是為地下導(dǎo)線提供起算坐標(biāo)、方位角以及起算高程[4],聯(lián)系測量需要有豎井,通常情況下建成區(qū)不具備鉆豎井的條件。地下導(dǎo)線起算地下出入口附近的控制點,滿足圖根導(dǎo)線精度要求,因環(huán)境限制無法附合時,可以布設(shè)不多于四條邊的支導(dǎo)線,最大邊長不應(yīng)超過160 m,前視邊長不應(yīng)超過后視邊長的兩倍。高程控制測量采用幾何水準(zhǔn)或三角高程[5]。地下空間特征點采用全站儀極坐標(biāo)法測量,對于全站儀無法直接測量的隱蔽角點,使用測距儀或鋼尺量取待測點到已測點的距離,利用空間關(guān)系計算待測點平面坐標(biāo)。傳統(tǒng)測量方法流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)測量方法流程圖

1.2 采用傳統(tǒng)測量方法的難點

采用傳統(tǒng)的測量方法數(shù)據(jù)精度低,地下采集效率受光線影響大、作業(yè)員勞動強度大、現(xiàn)場測量成果不可視、自動化程度較低[6]。本測試項目的地下空間出入口為陡立的樓梯連接彎曲通道,地下空間窄小、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜密集、地面雜物堆積、沒有燈光,造成設(shè)站投點、通視困難。

為滿足地下空間示位測量要求,依據(jù)《城市測量規(guī)范》CJJ/T 8—2011的規(guī)定:地上應(yīng)布設(shè)三級導(dǎo)線以上精度的平面控制點,地下應(yīng)布設(shè)圖根導(dǎo)線或支導(dǎo)線。本項目由于地下黑暗無光、地面濕滑積水,樓梯、地下通道部分轉(zhuǎn)點近且高差大,無法布設(shè)圖根或圖根支導(dǎo)線,所以常規(guī)測繪手段無法進行施測。地下空間平面如圖2所示。

圖2 地下空間平面圖

2 站式三維激光掃描儀測試流程

相比移動式三維激光掃描儀,站式掃描儀工作時位置是固定的,因此，掃描精度更高[7]。 測試選用儀器為徠卡公司最新的站式掃描儀RTC360,掃描頻率為200萬點/s,一站僅需要2 min,有效測程為130 m,全景影像4.32億像素,具有視覺追蹤功能,通過儀器四周內(nèi)置的5個相機和慣導(dǎo)系統(tǒng),實時鎖定跟蹤外部環(huán)境特征點,根據(jù)相應(yīng)的算法計算出測站與測站之間的相對位置關(guān)系,掃描時不需要公共標(biāo)靶就可以實現(xiàn)相鄰測站間的點云拼接。1人就可以完成外業(yè)掃描任務(wù),現(xiàn)場可以進行數(shù)據(jù)查看和檢查,避免返工。徠卡RTC360如圖3所示。

圖3 徠卡RTC360掃描儀

2.1 三維激光掃描方法

采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)網(wǎng)絡(luò)RTK在地下空間兩個出入口處共布設(shè)4個控制點,并用全站儀進行距離和角度的歸化。水準(zhǔn)起算附近已知水準(zhǔn)點,聯(lián)測新布設(shè)的GNSS控制點。利用控制點數(shù)據(jù),可以將掃描的點云數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)到控制點坐標(biāo)系統(tǒng)中。

由于地上地下高差較大,為了儀器穩(wěn)定和掃描的點云數(shù)據(jù)不產(chǎn)生傾斜,掃描時使用三腳架及帶對中器的基座架設(shè)掃描儀。徠卡RTC360掃描儀有三級分辨率可供調(diào)節(jié),分別是距離測站10 m處掃描點間距3 mm(高密度點云),6 mm(中密度點云),12 mm(低密度點云),掃描用時分別是26、51、102 s。圖像獲取為1 min。本測試項目在地下空間出入口處采用3 mm@10 m的點云密度,這樣可以強化地上地下的聯(lián)系。地下通道狹長、地下空間雜物遮擋、沒有光,采用12 mm@10 m的點云密度,地下測站的平均間隔是5.5 m,目的是使采集到的點云數(shù)據(jù)連續(xù)、均勻,保證點位精度。地上掃描6站,地下46站,掃描用時1.5 h。掃描站點分布如圖4所示。

圖4 掃描站點分布圖

2.2 站式掃描數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone智能拼接軟件中,對軟件自動拼接失敗的站點,采用同名點或目視對準(zhǔn)的模式進行配準(zhǔn)拼接。整體拼接完成后,逐站進行檢查,保證站與站之間的拼接精度在2 mm以內(nèi),然后檢查起始站點的掃描數(shù)據(jù)和結(jié)束站點的掃描數(shù)據(jù)重合部分是否有錯層或交叉,如果有錯層需要對拼接精度略大的站點進行調(diào)整,直至沒有錯層產(chǎn)生。最后手動添加閉合環(huán)路進行整體優(yōu)化,點云閉合環(huán)路如圖5所示。

圖5 點云閉合環(huán)路

以出入口的4個控制點為基準(zhǔn)進行坐標(biāo)校準(zhǔn),將拼接完整的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到控制點坐標(biāo)系統(tǒng)下。最后生成配準(zhǔn)報告,導(dǎo)出點云通用格式*.las、*.e57等，配準(zhǔn)后點群質(zhì)量如圖6所示。

圖6 配準(zhǔn)后點群質(zhì)量

利用Cyclone軟件加載配準(zhǔn)后的點云數(shù)據(jù),根據(jù)實際需要設(shè)置參考面和切片厚度。然后利用CloudWorx for CAD的插件在CAD中導(dǎo)入做好的切片,通過特征點快速描繪地下空間內(nèi)輪廓及相關(guān)建筑的二維線畫圖[8],成果如圖7～8所示。

圖7 平面圖成果

圖8 立面圖成果

2.3 掃描數(shù)據(jù)檢核

表1 尺寸對比 單位：m

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對比分析,采用站式三維激光掃描進行地下空間測繪,采集的數(shù)據(jù)沒有累計誤差,相對精度能夠達到1 cm,滿足規(guī)范要求。

3 站式三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)缺點分析

地面三維激光掃描技術(shù)作為一種全新的測量技術(shù),在城市地下空間建設(shè)中扮演著越來越重要的作用[9]。

3.1 站式三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點

(1)突破單點測量方式,真彩色的點云數(shù)據(jù)對被測物體的描述更細(xì)膩更生動,為后續(xù)建模工作提供了更多的數(shù)據(jù)支撐,傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)[10]。

(2)主動發(fā)射、接收激光信號來獲取測站與周邊物體的位置關(guān)系,通過密集的點云勾勒被測物體表面信息,不依賴光線。

(3)無須人工辨識特征點,目視所及的范圍(有效測程內(nèi))數(shù)據(jù)采集全面,尤其在人員無法到達的危險地段使用優(yōu)勢明顯[11]。

(4)掃描數(shù)據(jù)全面而無遺漏,一次掃描數(shù)據(jù)可供多次不同用途使用。

3.2 站式三維激光掃描技術(shù)缺點

(1)缺少相關(guān)三維激光掃描技術(shù)規(guī)范。

(2)三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)量大,動輒占用幾十個G的存儲空間,數(shù)據(jù)處理技術(shù)難度高,對硬件配置要求較高。

(3)常規(guī)手段無法施測的項目,三維激光掃描技術(shù)缺少對其精度檢測的手段。

4 結(jié)束語

在建設(shè)用地越來越稀缺的同時,城市地下空間也變得越來越寶貴,其合理開發(fā)利用可以為人們帶來更多生活便利。而開發(fā)利用的前提是對其進行全方位的測繪,傳統(tǒng)的地下空間測量方法是內(nèi)業(yè)數(shù)字化和實測相結(jié)合的方式,根據(jù)建筑設(shè)計圖、竣工圖等進行掃描數(shù)字化,對地下空間實際情況進行實地核實測量,對變動較大的重新測繪。但傳統(tǒng)的全站儀極坐標(biāo)法對現(xiàn)場通視條件要求較高,勞動強度大且效率低下,站式三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取高精度的點云信息,對站點之間通視條件及采光沒有要求。本文探討了站式三維激光掃描儀在北京某學(xué)校地下空間測量中的流程和方法,并隨機量取尺寸進行對比,通過測試可以得出站式三維激光掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、快速高效,可以為城市地下空間合理開發(fā)利用提供有效的數(shù)據(jù)支撐。