陳小麗

摘要：三維激光掃描是新型測(cè)量技術(shù)，能夠應(yīng)用到法律證據(jù)、工廠(chǎng)改造、古建筑保護(hù)等領(lǐng)域，應(yīng)用效果顯著。但是在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用少。主要討論三維激光掃描法在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題，分析三維激光掃描法的應(yīng)用效果，包括技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)等。分析三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用效果，以供參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；建筑規(guī)劃；竣工測(cè)繪

一、前言

現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，加快了三維激光掃描的發(fā)展速度，使其能夠有效應(yīng)用于建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中，改善單點(diǎn)測(cè)量的不足與缺陷。在一定的時(shí)間要求下，三維激光掃描發(fā)射數(shù)十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云方式，充分表達(dá)出三維空間形態(tài)[1]。利用高分辨成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維正射影像，表達(dá)出物體立體狀態(tài)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)繪的不足，能夠提升工作效率，加強(qiáng)應(yīng)用質(zhì)量。本文主要討論三維激光掃描法在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題，分析三維激光掃描法的應(yīng)用效果，包括技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)等。

二、基本概述

（一）建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪

在規(guī)劃竣工測(cè)繪中，涉及的測(cè)繪內(nèi)容非常多，比如測(cè)量建筑的高度、繪制地形圖（1：500）、測(cè)量室內(nèi)地坪。分析傳統(tǒng)的規(guī)劃測(cè)繪技術(shù)，多依賴(lài)水準(zhǔn)儀、全站儀設(shè)備，測(cè)量二維平面，部分區(qū)域還要測(cè)量建筑高度、面積等[2]?，F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，增加了城市規(guī)劃與管理的內(nèi)容，二維竣工圖很難呈現(xiàn)建筑全貌、地物關(guān)系等，越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足撐死規(guī)劃、管理的要求。

（二）三維激光掃描

三維激光掃描，是一種全自動(dòng)掃描技術(shù)，具備較高的準(zhǔn)確性，收集物體的三維坐標(biāo)、影像數(shù)據(jù)，屬于測(cè)繪領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新表現(xiàn)。相比GPS、全站儀技術(shù)，三維激光掃描能夠快速獲取數(shù)據(jù)信息，設(shè)置多個(gè)采樣點(diǎn)，避免測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)分析的片面性。相比近景攝影測(cè)量技術(shù)，盡管三維激光掃描技術(shù)無(wú)法構(gòu)建連續(xù)三維模型，然而整體工作效率高，可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理工作，建立測(cè)繪的三維數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用前景廣闊[3]。

三維激光掃描具備原有測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)激光掃描設(shè)備，確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的高效性，不再出現(xiàn)大量的外業(yè)作業(yè)，開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)業(yè)作業(yè)，有助于縮短外業(yè)工作時(shí)間，減輕測(cè)量人員的工作壓力，整體工作效率大大提高。

（三）技術(shù)原理

在測(cè)繪行業(yè)中，三維激光掃描技術(shù)成為突破性技術(shù)，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著高于衛(wèi)星定位技術(shù)，具備較高的技術(shù)效率、精度。如果無(wú)法獲取地物的特征點(diǎn)，則要使用三維激光掃描技術(shù)，保證三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確度。激光掃描儀涉及激光測(cè)距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、電源供應(yīng)系統(tǒng)，配置測(cè)距裝置，能夠獲取準(zhǔn)確的點(diǎn)位距離。通過(guò)測(cè)角裝置，可以獲取水平角、垂直角度，計(jì)算點(diǎn)位三維坐標(biāo)。利用激光掃描法，可以獲得點(diǎn)位信息，并形成點(diǎn)云[4]。在存儲(chǔ)點(diǎn)云時(shí)，主要存儲(chǔ)激光反射強(qiáng)度、色彩信息。

三、三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中的應(yīng)用

（一）技術(shù)與圖件成果要求

建筑竣工測(cè)量，重點(diǎn)對(duì)建筑、附屬物平面位置進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確規(guī)劃界限距離、高程等。采集內(nèi)容包括建筑平面、高程、位置、立面、分界線(xiàn)[5]。在圖件成果中，涉及建筑立面示意圖、竣工測(cè)量平面圖、三維模型。

（二）技術(shù)流程

繪制建筑竣工圖紙，建立三維模型，則要使用現(xiàn)有的技術(shù)方法，形成多個(gè)實(shí)施途徑。

第一，傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)繪，需要采集地物點(diǎn)數(shù)據(jù)，聯(lián)合3Dmax軟件，建立三維地理信息。通過(guò)RTK、全站儀，測(cè)量全野外地物，同時(shí)測(cè)量建筑的外立面尺寸、高度等?，F(xiàn)場(chǎng)拍照建筑物，利用全站儀數(shù)據(jù)，繪制竣工平面圖，通過(guò)3Dmax軟件，建立測(cè)量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)模型，繪制建筑立面圖。全站儀設(shè)備，很難提升測(cè)繪效率，且3Dmax的軟件操作復(fù)雜，整體效率低。

第二，無(wú)人機(jī)傾斜攝影，聯(lián)合DP-Modeler建立模型。使用此種方法時(shí)，以無(wú)人機(jī)開(kāi)展傾斜攝影測(cè)量，生成傾斜數(shù)據(jù)。矢量采集傾斜數(shù)據(jù)，繪制竣工平面圖、立面圖。利用DP-Modeler軟件，加工處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，建立三維模型。使用上述方法，可以減少操作時(shí)間，但是傾斜影像紋理質(zhì)量低。在建模操作時(shí)，需要在影像圖內(nèi)提取紋理。紋理畸變問(wèn)題，會(huì)嚴(yán)重影響建筑的立面圖精度、三維模型質(zhì)量。無(wú)人機(jī)航飛，要獲取相關(guān)部門(mén)批準(zhǔn)，手續(xù)辦理時(shí)間長(zhǎng)，要延長(zhǎng)項(xiàng)目周期。

第三，采用激光三維掃描儀，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用SketchUp建立模型。使用掃描技術(shù)時(shí)，需要搭配激光掃描儀，全方位采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保證矢量數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性，繪制竣工平面圖。利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到SketchUp軟件，建立三維模型，導(dǎo)出建筑立面圖。采用此種方法，提升數(shù)據(jù)采集效率，且建模軟件的操作難度小，能夠獲得較高的模型精度，生成完整的建筑立面圖。

上述所提及的方法措施，均在實(shí)際工作中得以檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，第三種方法的時(shí)間花費(fèi)少、精度高度，且軟件、硬件的掌握難度低，可以作為推薦方法。

（三）外業(yè)工作流程

在外業(yè)工作中，要使用移動(dòng)三維激光掃描儀，測(cè)量里程為100m，30萬(wàn)個(gè)點(diǎn)/s，精度達(dá)到1—3cm。利用SLAM算法，確保數(shù)據(jù)的自動(dòng)配對(duì)。通過(guò)SLAM技術(shù)，無(wú)須采用GNSS信號(hào)，工作環(huán)境的適應(yīng)度高，不需要架設(shè)站點(diǎn)，能夠在無(wú)GNSS信號(hào)區(qū)域內(nèi)掃描數(shù)據(jù)。在控制平臺(tái)上，實(shí)時(shí)顯示采集點(diǎn)云的范圍，形成一體化點(diǎn)云。然而在實(shí)際工作中，遵循SLAM算法原理，測(cè)試區(qū)的地物信息較多時(shí)，并且存在明顯差異時(shí)，此種方法的定位精度高。當(dāng)?shù)匚锾卣鞅容^少，且重復(fù)問(wèn)題較多時(shí)，則會(huì)使定位精度下降。

在具體工作中，測(cè)區(qū)采用“最少路線(xiàn)覆蓋”原則，確保路線(xiàn)規(guī)劃的科學(xué)性。利用全站儀、RTK，合理布置控制點(diǎn)，掃描區(qū)域內(nèi)的地表、外墻。在建筑物內(nèi)部，則要沿著樓梯，對(duì)建筑局部、建筑頂部進(jìn)行掃描。在掃描操作中，利用SLAM算法，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。利用單反相機(jī)、全景相機(jī)，拍攝建筑外部圖片，獲取紋理照片。

（四）三維激光掃描方案

不同地區(qū)具備明顯的特征差異，因此選擇掃描方案時(shí)，必須按照實(shí)際情況分析，聯(lián)合已控制的點(diǎn)分布特征。

1.坐標(biāo)系掃描。掃描儀、靶標(biāo)掃描時(shí)，均要放置在控制點(diǎn)位置，簡(jiǎn)化掃描流程，保證掃描效率。通過(guò)業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)，明確點(diǎn)云位置、方向。

2.碎部控制掃描法。此種方法的掃描儀，不能架設(shè)在已知控制點(diǎn)。外業(yè)采用常規(guī)測(cè)量法，獲取云中數(shù)據(jù)、信息，掌握三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)使用各站同名碎部控制法，確保數(shù)據(jù)配額與定向。

3.靶標(biāo)配準(zhǔn)法：掃描操作時(shí)。無(wú)須控制在已知控制點(diǎn)，利用鄰近站點(diǎn)的靶標(biāo)，明確鄰近站點(diǎn)的關(guān)系。在操作期間，選取少量碎部控制點(diǎn)。內(nèi)業(yè)利用同名靶標(biāo)球，可以實(shí)現(xiàn)鄰近站點(diǎn)的配準(zhǔn)，從而明確點(diǎn)云的方向。

（五）配置與組裝掃描儀器

三維激光掃描掃描儀、設(shè)備，涉及發(fā)電機(jī)、靶標(biāo)球、發(fā)電機(jī)、筆記本電腦。在使用設(shè)備和儀器時(shí)，為了架設(shè)、轉(zhuǎn)站外業(yè)儀器，項(xiàng)目人員實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，順利組裝推車(chē)，開(kāi)展外業(yè)測(cè)量作業(yè)。

（六）數(shù)據(jù)處理

通過(guò)CloudCompare軟件，獲取設(shè)備的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理之后，配準(zhǔn)現(xiàn)有的控制點(diǎn)，促進(jìn)坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，獲取高程數(shù)據(jù)、坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)云。配準(zhǔn)操作中，必須使用完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，嚴(yán)禁使用抽稀點(diǎn)云，保證配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。配準(zhǔn)完成后，要開(kāi)展點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云抽稀操作，將測(cè)區(qū)外的飛點(diǎn)去除。點(diǎn)位抽稀結(jié)束后，選擇適宜的點(diǎn)數(shù)據(jù)。此次點(diǎn)位抽稀間隙為5cm。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理之后，要使用EPS軟件，比如點(diǎn)云模塊、繪圖模塊。按照規(guī)范要求，繪制完整的竣工平面圖，包括建筑主體、地下室輪廓線(xiàn)、內(nèi)部分界線(xiàn)。在平面圖內(nèi)，還要標(biāo)注附屬設(shè)施、配套設(shè)施、附屬用房的位置；明確周邊位置信息、建設(shè)場(chǎng)地信息等。

點(diǎn)云處理之后，通過(guò)特定插件，導(dǎo)入SketchUp軟件，建立三維模型。遵循點(diǎn)云，建立目標(biāo)的特征點(diǎn)、線(xiàn)、面、三角網(wǎng)。利用三角網(wǎng)剖分，建立點(diǎn)云拓?fù)潢P(guān)系。遵照糾正后的影像招聘，將紋理映射添加到幾何模型中。紋理貼圖，則要使用實(shí)景照片制作法。紋理貼圖的格式，通常為PNG、JPG格式。在生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)建筑物里面，則要遵循點(diǎn)云尺寸，包括裝飾物、女兒墻、屋檐、陽(yáng)臺(tái)等。模型不能出現(xiàn)交叉點(diǎn)、廢點(diǎn)、漏縫問(wèn)題，要確保結(jié)構(gòu)、層數(shù)、里面、高度的相符度。在建立建筑模型時(shí)，要圍繞地形地貌、停車(chē)位、道路設(shè)施、綠化植被，建立對(duì)應(yīng)的模型，準(zhǔn)確反映出建設(shè)場(chǎng)地、周邊信息。

（七）精度分析

采集完點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，合理應(yīng)用全站儀設(shè)備，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、空間坐標(biāo)進(jìn)行校核。點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差為1cm，精度滿(mǎn)足竣工精度要求。

四、三維激光掃描在建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪中的應(yīng)用實(shí)例

（一）項(xiàng)目概況

此次試驗(yàn)項(xiàng)目占地4萬(wàn)平方米，包括住宅、幼兒園、配套商業(yè)建筑。項(xiàng)目周邊道路完善，未形成內(nèi)部環(huán)境，導(dǎo)致被遮擋物比較少，因此要采用三維激光掃描開(kāi)展竣工測(cè)繪。

（二）數(shù)據(jù)采集

項(xiàng)目通過(guò)自由設(shè)站點(diǎn)方式，全面采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。不同站點(diǎn)的重合度達(dá)標(biāo)，通過(guò)采集公共地點(diǎn)物，可以拼接點(diǎn)云。不同箭鏃構(gòu)成掃描閉合環(huán)，從而生成大的閉合網(wǎng)，建設(shè)60個(gè)站點(diǎn)，不同站點(diǎn)的時(shí)間為3min，總耗時(shí)90min。在項(xiàng)目四周設(shè)置控制點(diǎn)，粘貼打印標(biāo)靶，掃描控制點(diǎn)，糾正點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)。

（三）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，傳入Cyclone軟件中，從而處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。軟件按照視覺(jué)追蹤技術(shù)，自動(dòng)拼接多數(shù)站點(diǎn)。由于鄰近站點(diǎn)的缺乏公共點(diǎn)，因此采用人工拼接方式。下表為項(xiàng)目站點(diǎn)的拼接誤差，最大誤差達(dá)到0.015mm，最小誤差為0.005mm，拼接精度要求高。完成拼接操作后，導(dǎo)入外業(yè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，將點(diǎn)云模型校正到測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)，可以形成測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)的異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)，要實(shí)行去噪處理，輸出反色率、坐標(biāo)、色彩信息的格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為EPS三維測(cè)圖提供使用。

（四）繪制竣工地形圖

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，傳入到EPS三維測(cè)圖軟件中，測(cè)繪竣工地形圖。數(shù)據(jù)采集，包括建筑分層輪廓線(xiàn)、高程、地物特征點(diǎn)、高程標(biāo)記點(diǎn)，同時(shí)注重與周邊環(huán)境的交接處理。軟件在二維窗口、三維創(chuàng)口相互切換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，同步采集、編輯數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)切片處理模式相比，整體效率的改善效果佳。完成圖形編輯后，注重項(xiàng)目規(guī)劃控制紅線(xiàn)的疊加，添加工程圖廓，輸出DWG格式竣工地形圖，為項(xiàng)目提供使用。

（五）檢查成果精度

在對(duì)點(diǎn)云測(cè)圖精度進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，通過(guò)TS02全站，實(shí)測(cè)建筑外角點(diǎn)坐標(biāo)、建筑高程，比較檢查點(diǎn)、二維地形圖，從而獲得成果的精度統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)三維點(diǎn)云測(cè)圖精度進(jìn)行驗(yàn)證。項(xiàng)目實(shí)地測(cè)量平面檢查點(diǎn)45個(gè)，高程檢查點(diǎn)15個(gè)，見(jiàn)表1和表2。通過(guò)數(shù)據(jù)可知，平面檢查點(diǎn)達(dá)到0.061m的偏差，中誤差為0.028m。高程檢查點(diǎn)達(dá)到0.03m的誤差，中誤差為0.024。平面、高程滿(mǎn)足地形圖（1 ： 500）精度要求。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代技術(shù)支持下，研發(fā)出三維激光掃描技術(shù)，操作性、穩(wěn)定性較高，所以成為主流測(cè)繪技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在于快速獲取三維信息。三維建模，可以整合點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實(shí)景照片，全面呈現(xiàn)出建筑體，同時(shí)可以復(fù)制建筑的特征。對(duì)于竣工測(cè)繪數(shù)據(jù)，則要借助測(cè)量模型獲取數(shù)據(jù)，縮短外業(yè)測(cè)繪時(shí)間，增加信息承載量；同時(shí)，促進(jìn)傳統(tǒng)測(cè)繪的內(nèi)業(yè)模式變革，減少建模時(shí)間，縮短圖紙繪制時(shí)間，保障內(nèi)業(yè)制圖的精度，成為先進(jìn)的測(cè)繪方法。本文以具體測(cè)繪案例，探究三維激光掃描法的應(yīng)用效果，證明該項(xiàng)技術(shù)具備較高的應(yīng)用價(jià)值。

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作者單位：重慶市勘測(cè)院