李 通 劉廣彬 密興剛 鄒 昂 宋忠強(qiáng) 王宇光

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院, 山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

不動(dòng)產(chǎn)(俗稱(chēng)房地產(chǎn))是指具有權(quán)屬性質(zhì)的地塊和其地上建筑物的總稱(chēng)。不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪主要包括地籍調(diào)查、地籍測(cè)繪、房產(chǎn)測(cè)繪、面積量算以及變更測(cè)量等內(nèi)容。在不動(dòng)產(chǎn)登記過(guò)程中,房產(chǎn)測(cè)繪數(shù)據(jù)的掛接是其重要工作內(nèi)容之一。房產(chǎn)測(cè)繪的主要目的是獲取房屋和樓幢的分層平面數(shù)據(jù)、分戶(hù)平面數(shù)據(jù)及按照相應(yīng)規(guī)則劃分的各個(gè)房屋基本單元的面積數(shù)據(jù)。房產(chǎn)測(cè)繪又包括房產(chǎn)實(shí)測(cè)繪和房產(chǎn)預(yù)測(cè)繪,其中房產(chǎn)預(yù)測(cè)繪依據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙即可完成測(cè)量數(shù)據(jù)采集,而房產(chǎn)實(shí)測(cè)繪需要對(duì)竣工后的現(xiàn)狀房屋進(jìn)行外業(yè)實(shí)測(cè)來(lái)獲取房屋內(nèi)各空間各基本單元及共有建筑部位的邊長(zhǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的房產(chǎn)實(shí)測(cè)繪方法是采用激光測(cè)距儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,存在外業(yè)人員數(shù)量多、采集數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)、特征邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)易遺漏、無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量異形建筑等缺點(diǎn)。

移動(dòng)手持式三維激光掃描儀是近年來(lái)激光掃描儀及定位定姿設(shè)備集成和小型化的典型產(chǎn)品。掃描儀在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng),在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位,同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖,以實(shí)現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航[1]。手持三維激光掃描儀具有速度快、精度高、體積小、重量輕、攜帶方便、外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)只需一人手持等優(yōu)點(diǎn)。本文以建筑工程房產(chǎn)實(shí)測(cè)繪為例,介紹GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀在房產(chǎn)實(shí)測(cè)繪中的技術(shù)流程和方法,并與傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行精度和效率對(duì)比。

1 原理與技術(shù)方法

1.1 工作原理

GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀是一款使用簡(jiǎn)單、智能且專(zhuān)業(yè)的手持式新型三維激光掃描儀,主要由掃描手柄、數(shù)據(jù)記錄儀、電源倉(cāng)、連接手柄和記錄儀的數(shù)據(jù)線(xiàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件組成。該設(shè)備以即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)(simultaneous localization and mapping,SLAM)為核心,通過(guò)自身內(nèi)置的傳感器結(jié)合外部傳感器對(duì)自身進(jìn)行位置修正和環(huán)境地圖構(gòu)建,可以在無(wú)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)信號(hào)的環(huán)境下獲取動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)和周邊三維空間點(diǎn)云信息,并進(jìn)行三維點(diǎn)云的自動(dòng)化拼接,實(shí)現(xiàn)對(duì)小空間及大空間進(jìn)行高精度高效率的掃描作業(yè)[2]。

1.2 技術(shù)方法

1.2.1測(cè)量的主要內(nèi)容

建筑工程房產(chǎn)實(shí)測(cè)繪是對(duì)獲得規(guī)劃核實(shí)證后的建筑單體進(jìn)行據(jù)實(shí)量測(cè),檢核現(xiàn)場(chǎng)建筑單體的房屋布局、墻體尺寸等是否與規(guī)劃圖紙或圖審圖紙一致,并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)而獲取各建筑單體房屋的基本單元面積、用途及分層分戶(hù)平面圖,作為不動(dòng)產(chǎn)登記的基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)。

1.2.2測(cè)量的技術(shù)流程

結(jié)合不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪的生產(chǎn)實(shí)際,利用GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀進(jìn)行建筑工程房產(chǎn)實(shí)測(cè)繪,主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、選擇起始掃描點(diǎn)、采集數(shù)據(jù)、點(diǎn)云處理等工作流程,如圖1所示。外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí),因手持移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)不需要架站,也就不需要設(shè)計(jì)測(cè)站位置,只需根據(jù)建筑平面圖等資料及現(xiàn)場(chǎng)情況規(guī)劃一條測(cè)量路線(xiàn),考慮到移動(dòng)掃描系統(tǒng)移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)不斷建立優(yōu)化前端和后端的空間約束關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整和構(gòu)圖,在規(guī)劃路線(xiàn)時(shí)要注意所經(jīng)過(guò)房屋空間的特征復(fù)雜度和行進(jìn)姿態(tài)的穩(wěn)定,沿著測(cè)量線(xiàn)路完成點(diǎn)云的掃描和自動(dòng)拼接。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,提高后期數(shù)據(jù)處理的效率,然后進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn),將多次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,再根據(jù)各建筑部件點(diǎn)云高度及現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片進(jìn)行去噪,將無(wú)用的點(diǎn)云信息比如門(mén)、電線(xiàn)等裁剪掉,然后再進(jìn)行重采樣、切片等流程。內(nèi)業(yè)編輯時(shí),通過(guò)格式轉(zhuǎn)換,在切片平面上提取墻體要素點(diǎn),進(jìn)行墻體線(xiàn)擬合生成墻體實(shí)測(cè)邊線(xiàn)。

圖1 主要流程

1.2.3墻體邊界擬合

手持三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),直接使用會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理效率降低。在房產(chǎn)測(cè)繪中,高程數(shù)據(jù)作為無(wú)關(guān)信息可通過(guò)將三維數(shù)據(jù)向XOY平面投影來(lái)剔除,進(jìn)而獲取二維點(diǎn)云信息。為獲取較優(yōu)的目標(biāo)平面,方便墻體邊界的提取,首先需要進(jìn)行房屋內(nèi)部點(diǎn)云平面的粗略提取,即根據(jù)所采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最大高度值Zmax和房屋內(nèi)部其他部位點(diǎn)云平面的最大高度值Z的差值d,剔除現(xiàn)場(chǎng)雜物數(shù)據(jù),只保留地面、頂板、墻體、門(mén)窗等平面點(diǎn)云數(shù)據(jù);然后根據(jù)地面及頂板的各自高度差值Wdiff剔除地面和頂板數(shù)據(jù);接著進(jìn)行墻體平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精提取,即利用墻面的最大高度值Pmax及門(mén)窗的最大高度值Lmax與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最大高度值Zmax的差值的差異性,提取出精確的墻面點(diǎn)云數(shù)據(jù);最后將精確的墻面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片并投影到XOY平面獲取房屋所有墻面的二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)上述步驟獲得的墻面二維點(diǎn)云邊界規(guī)則簡(jiǎn)單,為精確獲取墻體的輪廓邊界,可直接采用隨機(jī)抽樣一致算法(random sample consensus,RANSAC)對(duì)墻面二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行直線(xiàn)擬合。RANSAC直線(xiàn)擬合算法具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性,可剔除粗差異常值,適用于大部分的直線(xiàn)擬合場(chǎng)景,如點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等。該算法的實(shí)質(zhì)為假設(shè)和檢驗(yàn)：假設(shè)隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)都為內(nèi)點(diǎn),利用隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算模型參數(shù);通過(guò)其他點(diǎn)對(duì)估計(jì)的模型參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),根據(jù)設(shè)定的距離閾值K,求取包含內(nèi)點(diǎn)數(shù)量最多的直線(xiàn)模型[3]。利用RANSAC算法求解直線(xiàn)幾何參數(shù)的過(guò)程為：①輸入直線(xiàn)數(shù)據(jù);②計(jì)算所需采樣次數(shù)n;③模型假設(shè)階段：隨機(jī)選取兩個(gè)二維點(diǎn)求解直線(xiàn)模型,然后計(jì)算采樣剩余集到該直線(xiàn)的距離;④根據(jù)設(shè)定的閾值判斷余集點(diǎn)是否為內(nèi)點(diǎn);⑤根據(jù)第④步的結(jié)果計(jì)算內(nèi)部點(diǎn)的數(shù)量;⑥判斷迭代次數(shù)是否小于n,若小于,返回第③步,否則進(jìn)行下一步;⑦選著包含內(nèi)部點(diǎn)最多的集合;⑧重新計(jì)算直線(xiàn)模型參數(shù)。

2 實(shí)例研究

2.1 項(xiàng)目概況

本文以濟(jì)南市歷城區(qū)二環(huán)東路以東、環(huán)湖路以西華山片區(qū)某住宅樓地下室為例,利用GeoSLAM ZEB-REVO手持三維激光掃描儀進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)實(shí)地測(cè)繪。經(jīng)實(shí)地踏勘及相關(guān)資料分析,該建筑單體已完成規(guī)劃竣工核實(shí),現(xiàn)場(chǎng)房間緊湊、開(kāi)門(mén)情況、雜物情況良好,便于手持三維激光掃描儀量測(cè)。

2.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

啟動(dòng)掃描儀進(jìn)行作業(yè)前,首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行拍照留存,方便后期的內(nèi)業(yè)點(diǎn)云去噪處理;然后規(guī)劃各單次掃描路線(xiàn),標(biāo)記掃描起始點(diǎn),規(guī)劃路線(xiàn)時(shí)需要考慮掃描儀本身的性能(測(cè)程范圍、最大仰角及保持測(cè)量精準(zhǔn)度的單次掃描時(shí)間),確保建筑墻體面在測(cè)程范圍和仰角包含角度內(nèi),同時(shí)需要保證前后兩次掃描的區(qū)域具有一定的重疊度,單次掃描時(shí)間控制在300 s以?xún)?nèi);為提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度,按照規(guī)劃路線(xiàn)單次掃描完畢后,回到現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記的起始點(diǎn),完成各單次閉路掃描。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮

三維激光掃描儀掃描目標(biāo)物所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量一般比較大,而對(duì)于建筑物室內(nèi)空間場(chǎng)所的掃描,獲取的數(shù)據(jù)量更大。為提高后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的效率和精度,本文采用組合的點(diǎn)云壓縮算法[4],即首先利用包圍盒算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行不均勻分割,然后在各分割區(qū)內(nèi)再利用基于曲率的壓縮算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。通過(guò)設(shè)置不同的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不同程度的壓縮。圖2展示了點(diǎn)云精簡(jiǎn)前后的對(duì)比效果。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮前后密度對(duì)比(Cyclone俯視圖)

2.3.2點(diǎn)云配準(zhǔn)

目前常用的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法包括基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)和基于目標(biāo)的配準(zhǔn)[5]?；邳c(diǎn)云的配準(zhǔn)即根據(jù)掃描重疊區(qū)域同名點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接,將不同參考坐標(biāo)系下的點(diǎn)云統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下;基于目標(biāo)的配準(zhǔn)則是通過(guò)掃描賦有實(shí)際地理坐標(biāo)的靶標(biāo),將完成拼接后的點(diǎn)云整體配準(zhǔn),完成點(diǎn)云的絕對(duì)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。房產(chǎn)測(cè)繪中根據(jù)空間墻體之間的相對(duì)位置關(guān)系即可完成房屋尺寸的量取,故數(shù)據(jù)處理時(shí)只需利用Trimble Realworks軟件自動(dòng)完成基于點(diǎn)云的配準(zhǔn),無(wú)須進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 配準(zhǔn)后的點(diǎn)云

2.3.3點(diǎn)云去噪及重采樣

在利用手持三維激光掃描儀對(duì)房屋內(nèi)部進(jìn)行掃描時(shí),不可避免地會(huì)將門(mén)窗、人體、堆積雜物、電線(xiàn)、天花板、相鄰無(wú)關(guān)建筑部位等噪聲記錄下,影響墻體邊線(xiàn)提取的精度。為此,在進(jìn)行墻體切片前需要采用Trimble Realworks軟件的“高度階化色彩”工具將不同高度的房屋內(nèi)部建筑構(gòu)件進(jìn)行高度色彩顯示,然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)照片和各構(gòu)件點(diǎn)云平面的高度以及之間的高度差將門(mén)窗、雜物、天花板等信息裁剪掉,并對(duì)墻體周邊的噪聲采用單點(diǎn)少量去噪,最大限度地保留所測(cè)建筑單體的墻體結(jié)構(gòu)特征。

采用分階段拼接掃描,采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量一般比較大且密集,在各階段重疊區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余,而進(jìn)行墻體邊線(xiàn)擬合時(shí)并非點(diǎn)云越密精度越高,為提高后期數(shù)據(jù)處理的效率和精度,需要利用Trimble Realworks軟件重采樣工具將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀。去噪后的墻體三維特征信息如圖4所示。

圖4 去噪后的墻體特征信息

2.3.4點(diǎn)云切片

準(zhǔn)確獲取房屋的室內(nèi)墻體截面信息是進(jìn)行墻體邊線(xiàn)擬合的基礎(chǔ)。將去噪后的las格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件,在軟件中調(diào)出XY參考面,并對(duì)該參考面的網(wǎng)格大小等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,通過(guò)切片沿法線(xiàn)方向的升降工具將XY參考面定位到某一墻體高度位置,然后設(shè)置切片的厚度參數(shù),完成點(diǎn)云切片。

2.4 墻體邊線(xiàn)擬合

基于切片的二維點(diǎn)云數(shù)據(jù),采用RANSAC直線(xiàn)擬合算法對(duì)墻體邊界線(xiàn)特征進(jìn)行擬合,提取墻體的輪廓線(xiàn)。由于采集的墻體特征點(diǎn)不一定嚴(yán)格地位于現(xiàn)場(chǎng)墻體邊線(xiàn)上,導(dǎo)致擬合的各墻體邊線(xiàn)不能規(guī)范化相交,需要采用自適應(yīng)的強(qiáng)制正交規(guī)則化算法[6]對(duì)擬合的墻體邊線(xiàn)進(jìn)行規(guī)范化的調(diào)整,恢復(fù)墻體之間垂直等相交關(guān)系。二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)直線(xiàn)擬合后的墻體輪廓如圖5所示。

圖5 房屋實(shí)測(cè)平面圖

2.5 精度及效率分析

(1)精度分析。為了驗(yàn)證手持三維激光掃描儀方法的可靠性,將墻體二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合后的平面邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)與Leica DISTOTMX4手持式激光測(cè)距儀所測(cè)的邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。隨機(jī)選取10條邊進(jìn)行對(duì)比誤差分析,分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 邊長(zhǎng)尺寸對(duì)比 單位：m

由建筑物邊長(zhǎng)中誤差公式計(jì)算可得,建筑物邊長(zhǎng)中誤差為0.021 m,建筑物間距滿(mǎn)足《房產(chǎn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 17986—2000)精度要求。

(2)效率分析。與傳統(tǒng)的手持測(cè)距儀測(cè)量方法相比,本項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間明顯縮短,測(cè)量用時(shí)約600 s,而傳統(tǒng)作業(yè)方法用時(shí)約1 200 s;外業(yè)人員投入明顯減少,新方法只需1人手持儀器即可完成外業(yè)掃描,而傳統(tǒng)作業(yè)方法需要2人,其中1人測(cè)量,1人在外業(yè)草圖上記錄數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面,點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和內(nèi)業(yè)編輯共用時(shí)約1 800 s,共需1人;傳統(tǒng)內(nèi)業(yè)處理(根據(jù)外業(yè)草圖校對(duì)及繪圖)用時(shí)約1 500 s,共需1人。根據(jù)作業(yè)人員人數(shù)統(tǒng)計(jì)總體作業(yè)時(shí)間,明顯手持三維激光掃描儀作業(yè)效率更高些。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用手持三維激光掃描儀對(duì)建筑工程不動(dòng)產(chǎn)實(shí)測(cè)繪進(jìn)行了試驗(yàn),并與傳統(tǒng)的作業(yè)進(jìn)行了精度及效率對(duì)比。研究結(jié)果表明：手持三維激光掃描儀外業(yè)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)化程度高,外業(yè)人員投入少,提高了作業(yè)效率;在測(cè)量精度方面,能夠滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求,可以作為新的測(cè)繪方法用于不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪實(shí)際生產(chǎn)中;同時(shí),可以獲得豐富的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),為后期不動(dòng)產(chǎn)三維建模提供數(shù)據(jù)支撐。隨著手持三維激光掃描儀的測(cè)程及測(cè)量精度的進(jìn)一步提升,該設(shè)備的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。