許飛

(德州市自然資源局，山東 德州 253000)

1 引言

近年來，我國出現(xiàn)了大量異形建筑，異形建筑具有外觀獨特、空間大、跨度寬等特點，傳統(tǒng)測繪手段已不能滿足其竣工測繪的需求。三維激光掃描技術(shù)是于上世紀90 年代中期發(fā)展成熟的一項高新技術(shù)，無需接觸測量目標就可快速、全自動、高精度獲取物體表面的密集點云數(shù)據(jù)，后期結(jié)合相關(guān)軟件不僅能快速復建物體的三維模型，還能進一步提取物體的二維平面信息，因此又被稱作“實景復制技術(shù)”[1]。當前，隨著三維激光掃描技術(shù)軟硬件價格的不斷下探，該技術(shù)已被越來越多地應(yīng)用于各種工程測量中，本文就三維激光掃描技術(shù)在異形建筑竣工測繪中的應(yīng)用進行探討。

2 三維激光掃描技術(shù)簡介

2.1 技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)原理和免棱鏡全站儀系統(tǒng)類似，即通過激光發(fā)射器周期地驅(qū)動二極管脈沖信號到達被測物體，回波信號經(jīng)漫反射返回被接收器接收，計時器同步記錄發(fā)射時刻和返回時刻，控制編碼器同步測量激光脈沖水平角和垂直角，儀器自帶的微電腦計算掃描點到儀器中心的斜距，進而按極坐標法即可求出被測物體表面掃描點的三維坐標。不同的是，免棱鏡全站儀是單點作業(yè)，而三維激光掃描儀可實現(xiàn)對目標全方位立體掃描，將掃描獲取的密集點稱作點云[2]。

三維激光掃描技術(shù)通常采用的都是內(nèi)部坐標系統(tǒng)，采集到的點云數(shù)據(jù)以掃描坐標系為基準，掃描坐標系的定義為：以發(fā)射激光束處為該坐標系原點，X 軸為掃描儀水平轉(zhuǎn)動軸的零方向，Z 軸為掃描儀水平時的天頂方向（理論豎直軸），Y 軸與X 軸、Z 軸成右手坐標關(guān)系，三維激光掃描技術(shù)測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測量原理

圖1 中，S 為坐標原點到被測目標點的距離，α 為掃描儀激光脈沖水平角，θ 為掃描儀激光脈沖豎直角，那么就可以用公式（1）來表示目標點在掃描坐標系中的x、y、z 三維坐標：

2.2 誤差分析

三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)時，影響掃描精度的誤差源于多方面，主要包括距離和角度誤差、坐標拼接誤差兩部分，測量誤差傳播的基本規(guī)律同樣適用該系統(tǒng)。（1）距離和角度誤差

根據(jù)三維激光掃描技術(shù)測量原理公式（1）可知，激光點的坐標由3 個變量構(gòu)成，即距離S、掃描儀激光脈沖水平角α 和豎直角θ，根據(jù)誤差傳播定律，掃描到的激光點的誤差也是由這3 個變量引起的。

（2）點云拼接誤差

當測量一個目標需要設(shè)立N 個測站時,必須要把N 個測站掃描到的面狀“點云”拼接起來，即通過標靶點的坐標與點云坐標進行匹配來實現(xiàn)多個面狀“點云”的拼接，在此過程中會產(chǎn)生拼接誤差，拼接誤差由全站儀與三維激光掃描儀共同產(chǎn)生，若點云坐標向量與坐標軸的交角分別為A、B、C，平移參數(shù)分別為Δx、Δy、Δz，則有公式（2）的拼接誤差模型Ω:

3 應(yīng)用實例

3.1 項目概況

某國際會展中心集五星級酒店、商業(yè)寫字樓于一體，外形獨特時尚，塔樓設(shè)計采用幾何式立面結(jié)構(gòu)，宛如隨意凌亂疊放的方塊，層層縱橫交錯，屬于典型的異形建筑。考慮到采用傳統(tǒng)方法進行竣工測繪非常困難，項目組應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對其進行竣工驗收測量。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）控制測量

依據(jù)掃描目的和精度要求，結(jié)合異形建筑周邊環(huán)境，項目組決定采用閉合導線多站掃描的方案，掃描站點分布在建筑物周邊，各站點兩兩通視并保證掃描儀能掃描到建筑物的所有表面，站點坐標由SDCORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 測量得出。掃描控制網(wǎng)布設(shè)如圖2 所示。

圖2 掃描控制網(wǎng)布設(shè)

（2）點云數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)采集采用Leica ScanStation C10 掃描儀，采集流程如圖3 所示。

圖3 點云數(shù)據(jù)采集流程

3.3 點云數(shù)據(jù)處理

將采集到的點云數(shù)據(jù)導入和儀器配套的Cyclone軟件中，點云數(shù)據(jù)處理主要有點云拼接、點云去噪、點云統(tǒng)一三個步驟。

（1）點云拼接

為保證建筑物表面點云配準精度，采用序列拼接方法，即從第一站開始，先利用前站球形標靶進行初配準，再利用相互重疊的點云進行ICP 配準。按照此方法將8 站所有點云數(shù)據(jù)拼接完成，經(jīng)檢測首尾重疊處的點云相差小于6mm，滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。

（2）點云去噪

利用Cyclone 軟件手動去除點云中含有粗差的數(shù)據(jù)和無效的形體數(shù)據(jù)，這一過程屬于去噪處理，在Cyclone 軟件中打開拼接完成后的8 站點云總圖，通過旋轉(zhuǎn)、放大操作將點云調(diào)整到理想位置，根據(jù)需要在工具欄中選擇合適的工具去除噪聲點。

（3）點云統(tǒng)一

相鄰兩站的點云數(shù)據(jù)在去噪以后存在大量冗余，造成數(shù)據(jù)量增大、采樣間隔不一致的狀況，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行重采樣，具體過程就是在保證質(zhì)量的前提下，再次利用Cyclone 軟件對點云進行統(tǒng)一化處理，同時將多站點云進行壓縮并合并成一個整體。

3.4 三維建模

為準確建立建筑物的三維實體模型，反映該建筑的現(xiàn)狀，借助Geomagic Studio 軟件進行三維建模，主要構(gòu)建過程分為點階段、多邊形階段和曲面階段，該國際會展中心的外觀圖和局部三維模型如圖4所示。

圖4 異形建筑外觀和局部三維模型

（1）點階段

點階段是對掃描的海量點云數(shù)據(jù)進行精細化處理，具體包括：點云坐標擺正、去除噪聲點、點云的重采樣和封裝、點云的導入和著色等，此階段主要是為后續(xù)建模打好基礎(chǔ)。

（2）多邊形階段

此階段包括多邊形的簡化、多邊形表面的光滑化處理、多邊形孔洞和缺口的修補等，由于該階段會關(guān)系到模型曲面生成的質(zhì)量，因此處理工作必須認真細致，最終得到形狀完整、光滑的多邊形模型。

（3）曲面階段

曲面階段是為了減少模型空間三角面片之間的棱角，使得多邊形模型表面更加光滑逼真。該階段主要利用曲面片擬合的方法，經(jīng)混合、過渡、連接三個過程創(chuàng)建成曲面模型來實現(xiàn)。

3.5 精度驗證

為驗證本次三維激光掃描成果的質(zhì)量，在該異形建筑物上選取10 個特征點，分別用徠卡TCR402 免棱鏡全站儀測量出所有特征點坐標，將其結(jié)果與在三維模型中量取的坐標值進行比較，統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 異形建筑三維模型精度統(tǒng)計表（單位：m）

從表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)看出，10 個特征點的平面位置最大誤差為0.047m，高程最大誤差為0.037m，滿足《城市建設(shè)工程竣工測量成果規(guī)范》（CH/T 6001-2014）關(guān)于建筑物檢測點點位中誤差不大于50mm、高程中誤差不大于40mm 的精度要求。

3.6 竣工測量專題圖繪制

根據(jù)建筑物竣工驗收要求，繪制建筑物竣工測量專題圖是一項重要工作，項目組利用Cyclone 軟件的創(chuàng)建參考面功能截取建筑物截面和立面點云數(shù)據(jù)，再利用CAD 軟件即可輕松實現(xiàn)竣工專題圖的繪制。將繪制的竣工圖與設(shè)計圖進行對比分析，就可以準確地對竣工建筑物進行驗收。

4 結(jié)束語

利用三維激光掃描技術(shù)成功完成了某異形建筑的竣工測繪工作，該種作業(yè)方式具有高效快捷等特點，經(jīng)驗證，其測量精度能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求，該技術(shù)應(yīng)用于復雜、不規(guī)則的異形建筑竣工測繪中具有無可比擬的優(yōu)勢。應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：利用三維激光掃描技術(shù)難以獲取異形建筑物頂部的數(shù)據(jù)，而且其遇到掃描對象為玻璃幕墻等反射率較低的建筑材料時，點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量不是非常理想[3]，相信隨著儀器的不斷升級以及相關(guān)軟件功能的不斷完善，以上問題都會得到解決，三維激光掃描技術(shù)在測繪領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。