梁位鴻

（廣東建青工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東東莞 523000）

建筑工程測(cè)量工作是指在建筑工程項(xiàng)目完成施工過(guò)程中，對(duì)在建的施工區(qū)域執(zhí)行測(cè)量作業(yè)，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析，達(dá)到對(duì)工程質(zhì)量監(jiān)督的目的。測(cè)量作業(yè)是建筑工程施工進(jìn)度與工程質(zhì)量的真實(shí)體現(xiàn)，也是施工方執(zhí)法監(jiān)督的核心技術(shù)手段，一旦工程測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，不僅會(huì)影響其后期質(zhì)量審核，還會(huì)減縮工程施工的預(yù)計(jì)收益。

1 基于測(cè)繪新技術(shù)的建筑工程測(cè)量設(shè)計(jì)

1.1 確定三維激光掃描入射角及掃描距離

為了確保建筑工程測(cè)量結(jié)果的有效性，在此次的研究中，引進(jìn)三維激光掃描技術(shù)作為測(cè)繪新技術(shù)，通過(guò)新技術(shù)的使用，進(jìn)行建筑工程現(xiàn)場(chǎng)施工的測(cè)量[1]。

在測(cè)量前，需要先進(jìn)行掃描入射角度與掃描有效范圍的確定，并明確掃描設(shè)備架設(shè)的幾何空間位置決定了掃描行為的發(fā)生條件。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定一個(gè)正向向量P，P 表示掃描設(shè)備在向前端發(fā)射激光束時(shí)，向量光束掃描到建筑物構(gòu)件表面的方向向量。在上述提出的內(nèi)容中，掃描物體與其表層光束之間的法向量關(guān)系可表示為如下所示的計(jì)算公式：

公式（1）中：αi表示為三維激光掃描入射角的有效范圍，通常取值在[0～π/2]范圍內(nèi)；Pi表示為第i 個(gè)正向向量；N 表示為掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)量。考慮到使用激光光束進(jìn)行建筑體的掃描可能出現(xiàn)受到發(fā)散現(xiàn)象對(duì)其的影響，因此可在入射掃描激光時(shí)，選擇垂直入射的方式進(jìn)行激光高斯發(fā)射。當(dāng)入射角為0 的條件下，掃描物體上將出現(xiàn)一個(gè)圓形圖形，隨著掃描軌跡的增加，得到的圓形圖形覆蓋范圍隨之增大[2]。當(dāng)入射角的角度不等于0 時(shí)，圓形將存在“留跡”現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的掃描軌跡越長(zhǎng)，留下的軌跡面積越大。因此，可在確定三維激光掃描入射角及掃描距離時(shí)，根據(jù)建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)條件，確定一個(gè)有效的掃描范圍，并根據(jù)入射角角度與留跡范圍之間的規(guī)律，進(jìn)行工程的有效測(cè)量。此過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 基于標(biāo)準(zhǔn)激光掃描入射角及掃描距離的現(xiàn)場(chǎng)掃描作業(yè)流程

按照?qǐng)D1 所示的內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取。

1.2 采集測(cè)繪數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)

在完成對(duì)三維激光掃描入射角及掃描距離的確定與建筑施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取后，應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接配準(zhǔn)處理。配準(zhǔn)過(guò)程中，需要將現(xiàn)場(chǎng)獲取的測(cè)繪點(diǎn)集中在一個(gè)坐標(biāo)體系中，將對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)影像進(jìn)行“套合”處理，即恢復(fù)在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)程中不同建筑體的位置與呈現(xiàn)形態(tài)，確保每個(gè)光束采集的信息可與區(qū)域內(nèi)物體形成對(duì)應(yīng)[3]。在進(jìn)行建筑工程現(xiàn)場(chǎng)全景拼接時(shí)，可根據(jù)獲取的單張圖像面陣，將其與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間映射，結(jié)合映射后的圖像得到高精度現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖像。在此過(guò)程中，涉及的配準(zhǔn)設(shè)備包括全景攝像機(jī)、傳感器，配準(zhǔn)的過(guò)程可用圖2 所示的流程表示。

按照上述流程，對(duì)三維激光測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，在完成獨(dú)立區(qū)域數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)處理后，根據(jù)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)不同區(qū)域作業(yè)之間的聯(lián)系性，進(jìn)行配準(zhǔn)數(shù)據(jù)的拼接。拼接過(guò)程中，參照?qǐng)D2 所示的流程，將不同施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入指定坐標(biāo)系中，通過(guò)對(duì)接坐標(biāo)系的方式，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集測(cè)繪數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)。完成建筑工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理后，將數(shù)據(jù)指向的信息與圖示導(dǎo)入計(jì)算機(jī)內(nèi)，生成一張可用于描述建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)繪地質(zhì)圖。

圖2 三維激光測(cè)繪數(shù)據(jù)配準(zhǔn)流程

1.3 建筑工程結(jié)構(gòu)三維測(cè)量

完成對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的采集以及拼接配準(zhǔn)后，通過(guò)實(shí)現(xiàn)建筑工程結(jié)構(gòu)的三維建模實(shí)現(xiàn)對(duì)其整體測(cè)量。結(jié)合激光掃描設(shè)備對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，并將儀器掃描的中心點(diǎn)看作三維模型的中心點(diǎn)。通過(guò)對(duì)掃描設(shè)備發(fā)出的射線水平方向與目標(biāo)點(diǎn)到中心點(diǎn)構(gòu)成的夾角，垂直方向與目標(biāo)點(diǎn)到中心點(diǎn)構(gòu)成的夾角的測(cè)量、對(duì)其之間的直線距離的測(cè)量，得到三維坐標(biāo)當(dāng)中的距離數(shù)值和角度數(shù)值。將上述得到的測(cè)量結(jié)果作為測(cè)量目標(biāo)的陣列點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將其作為極坐標(biāo)當(dāng)中的數(shù)據(jù)。將其與反射強(qiáng)度信息構(gòu)成測(cè)量數(shù)據(jù)條件，結(jié)合圖3 中所示內(nèi)容，確定三維模型中各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖3 建筑工程結(jié)構(gòu)三維測(cè)量原理圖

在三維模型當(dāng)中，可采用轉(zhuǎn)換對(duì)極坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)的方式，在對(duì)應(yīng)的三維模型中進(jìn)行測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的確定，轉(zhuǎn)換過(guò)程的計(jì)算公式為：

公式（2）中，x、y、z 表示為在極坐標(biāo)當(dāng)中測(cè)點(diǎn)的橫軸坐標(biāo)、縱軸坐標(biāo)和空間坐標(biāo)；r 表示為轉(zhuǎn)換系數(shù)；θ 表示為橫軸和目標(biāo)點(diǎn)與中心點(diǎn)連線構(gòu)成的夾角；φ 表示為縱軸和目標(biāo)點(diǎn)與中心點(diǎn)連線構(gòu)成的夾角。根據(jù)上述公式（2）計(jì)算得出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其建筑工程結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)測(cè)量精度的需要，為了進(jìn)一步提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)在三維模型當(dāng)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以利用相關(guān)三維處理軟件對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行處理和鑲嵌。同時(shí)，完成測(cè)量后，將數(shù)據(jù)以不同的格式存儲(chǔ)，將其提供給建筑工程空間數(shù)據(jù)庫(kù)或?qū)?yīng)的工程項(xiàng)目當(dāng)中，最終完成對(duì)測(cè)量結(jié)果的輸出。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文上述提出的測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中的合理性，選擇以某辦公樓作為研究對(duì)象，分別利用本文提出的測(cè)量方法和傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)該辦公樓進(jìn)行測(cè)量。本文測(cè)量方法的基本流程為：獲取不同測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)拼接配準(zhǔn)；實(shí)現(xiàn)建筑工程結(jié)構(gòu)三維測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量方法按照以往測(cè)量方式完成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需的掃描儀為Riegl VZ-150-8645 型號(hào)掃描儀，同時(shí)還需要反射片標(biāo)靶兩個(gè)和兩個(gè)三腳架。首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量的方式，確定在該建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中三個(gè)公共點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并將其記錄如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中三個(gè)公共點(diǎn)的三維坐標(biāo)

表1 中X 表示為公共點(diǎn)橫坐標(biāo)；Y 表示為公共點(diǎn)縱坐標(biāo)；Z表示為公共點(diǎn)空間坐標(biāo)。在明確三個(gè)公共點(diǎn)的三維坐標(biāo)后，分別利用本文測(cè)量方法和傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)公共點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，并計(jì)算得出其相應(yīng)的坐標(biāo)差以及坐標(biāo)中誤差。坐標(biāo)差為公共點(diǎn)三維坐標(biāo)實(shí)際值與測(cè)量結(jié)果的差值；坐標(biāo)中誤差為公共點(diǎn)三個(gè)方向上坐標(biāo)差的平均值。按照上述論述，將計(jì)算結(jié)果繪制成表2。

表2 兩種測(cè)量方法坐標(biāo)差與坐標(biāo)中誤差（單位：mm）

從表2 中得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文方法在對(duì)三個(gè)公共點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，坐標(biāo)差最大為1mm，最小為0mm，坐標(biāo)中誤差在0.33mm～0.67mm 范圍內(nèi)；傳統(tǒng)方法對(duì)三個(gè)公共點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，坐標(biāo)差最大為5mm，最小為2mm，坐標(biāo)中誤差在3.00mm～4.00mm 范圍內(nèi)。因此，通過(guò)上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明，本文提出的測(cè)量方法能夠有效降低各個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量誤差，并且將其控制在合理范圍內(nèi)，充分滿足建筑工程中對(duì)測(cè)量精度提出的誤差小于2.00mm 的要求，證明本文測(cè)量方法具有更高的應(yīng)用合理性。

3 結(jié)論

本文引進(jìn)三維激光掃描技術(shù)作為測(cè)繪新技術(shù)，對(duì)建筑工程測(cè)量作業(yè)的實(shí)施進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在完成對(duì)作業(yè)方法的設(shè)計(jì)后，將對(duì)比實(shí)驗(yàn)作為依托，將本文設(shè)計(jì)的測(cè)量方法與傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用比對(duì)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐測(cè)試后證明，本文設(shè)計(jì)的測(cè)量方法，可以有效地降低建筑工程測(cè)量結(jié)果中的誤差，從而提高測(cè)量的精度。但此次研究?jī)H從外業(yè)作業(yè)層面進(jìn)行了方法的設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮到建筑內(nèi)業(yè)作業(yè)施工測(cè)量中的相關(guān)問(wèn)題，因此，可在后期的研究中，將建筑內(nèi)業(yè)測(cè)量作為研究重點(diǎn)，通過(guò)規(guī)范測(cè)量流程的方式，為建筑工程內(nèi)業(yè)與外業(yè)測(cè)量作業(yè)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。希望通過(guò)此次的研究，為我國(guó)建筑行業(yè)在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的穩(wěn)定發(fā)展提供技術(shù)層面指導(dǎo)。