王雨欣，孟麗媛，2，3*，陳昱璇，王夢悅

（1.宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223600；2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430000；3.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100000）

由于地下工程具有空間密閉、復(fù)雜、面積大和場景重復(fù)率高等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)的全站儀數(shù)字測圖方式進(jìn)行平面圖測量，工作量大，且容易出錯(cuò)，難以保證測量精度[3]。因此本文探索了一種利用三維激光掃描獲取地下人防地形圖和三維模型的方法。

1 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)獲取與處理

三維激光掃描技術(shù)開始于20 世紀(jì)90 年代中期，由于其能夠高精度快速地獲得測量目標(biāo)的三維信息，被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)[4]。三維激光掃描所獲取的目標(biāo)物表面和大面積地形的三維數(shù)據(jù)，稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以通過計(jì)算機(jī)采用專門的處理軟件進(jìn)行讀取和處理[5]。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有密度高、精度高、數(shù)據(jù)量大和帶有掃描物體光學(xué)特征信息等特點(diǎn)。相較于其他方法，基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維模型精度更高、細(xì)節(jié)更加逼真，與實(shí)物比例一致，場景三維可視化效果更真實(shí)[6]。三維激光掃描技術(shù)以其高速度、高精度、非接觸及強(qiáng)適應(yīng)性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于測繪工程、建筑古跡保護(hù)、結(jié)構(gòu)測量和緊急服務(wù)等領(lǐng)域[7-11]。

地下人防工程三維激光掃描測量的主要流程如圖1 所示，包括測區(qū)踏勘與方案設(shè)計(jì)、控制點(diǎn)布設(shè)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和成果導(dǎo)出步驟。

圖1 地下人防工程三維激光掃描流程

1.1 測區(qū)踏勘與方案設(shè)計(jì)

在作業(yè)前，首先需進(jìn)行測區(qū)踏勘。其目的是了解測量需求和測區(qū)基本情況，確定掃描方案。

本項(xiàng)目需要將地上地下坐標(biāo)基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，以實(shí)現(xiàn)地上地下空間一體化管理。經(jīng)踏勘，本文所測量的地下人防工程地上出口附近有3 個(gè)控制點(diǎn)，可用于地上地下坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一。該工程面積約為100 m2，主體結(jié)構(gòu)簡單，但內(nèi)部包含一些錯(cuò)綜復(fù)雜小房間，為了兼顧測量效率和正確性，采用無靶球的作業(yè)方式，但在復(fù)雜小房間處增加測量的點(diǎn)云重疊度，并繪制草圖。

根據(jù)現(xiàn)場的踏勘情況初步完成了控制點(diǎn)和測站數(shù)量與位置的設(shè)計(jì)。

1.2 控制點(diǎn)布設(shè)

本文在地下空間均勻布設(shè)5 個(gè)控制點(diǎn)備用，控制點(diǎn)分布情況如圖2 所示，圖中地形點(diǎn)即為控制點(diǎn)。使用全站儀導(dǎo)線測量方式對地上已知控制點(diǎn)與地下控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，得到5 個(gè)地下控制點(diǎn)坐標(biāo)。

式中，i∈[1,m],j∈[1,n]；DSem(mr,mp)表示QoS數(shù)值相似度函數(shù)；mr表示服務(wù)請求者請求的QoS數(shù)值約束；mp表示服務(wù)提供者提供的QoS數(shù)值約束；rj表示服務(wù)請求者所請求的第j個(gè)QoS屬性參數(shù)的取值；qij表示第i個(gè)候選Web服務(wù)中的第j個(gè)QoS屬性參數(shù)的取值。

圖2 控制點(diǎn)及測站分布

1.3 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用的儀器為Trimble TX8 三維激光掃描儀，該型號掃描儀在測量速度、測程和精度等方面表現(xiàn)優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量、工程測量等領(lǐng)域，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 Trimble TX8 三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的過程包括測站布設(shè)（首站整平）、掃描與搬站。測量時(shí)應(yīng)注意避開遮擋物，儀器開始工作后人員要避免在掃描儀掃描區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，以免對掃描數(shù)據(jù)造成影響。在第一個(gè)測站測量結(jié)束，儀器搬至第二測站，第二測站與第一測站應(yīng)存在重復(fù)掃描區(qū)域。重復(fù)操作，直至掃描結(jié)束。

根據(jù)地下人防工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，共掃描74 站，測站分布情況如圖2 所示，其中三角形為測站。圖中僅顯示匹配成功的測站。

1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)處理軟件為Trimble RealWorks 12.0 數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件具備大量的配準(zhǔn)工具可以快速配準(zhǔn)工程和分析結(jié)果，并且可以識別出單獨(dú)點(diǎn)云對象中的點(diǎn)云分類與分割，很好地支持本文的數(shù)據(jù)處理。

由三維激光掃描儀直接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、密度高且存在很多無效點(diǎn)云，因此需對其進(jìn)行預(yù)處理，主要流程包括點(diǎn)云去噪、修補(bǔ)、配準(zhǔn)等[12]。

本項(xiàng)目的地下人防工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程主要步驟包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云分割和輸出結(jié)果等。

1.4.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

由于地下空間面積大且結(jié)構(gòu)單一，整體進(jìn)行全自動(dòng)配準(zhǔn)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生“點(diǎn)云分層”，因此在進(jìn)行一次全自動(dòng)配準(zhǔn)后，根據(jù)測站分布情況，將測區(qū)測站分為3 組，分別進(jìn)行配準(zhǔn)，得到3 組精確配準(zhǔn)的點(diǎn)云后，再將3 組點(diǎn)云進(jìn)行整體配準(zhǔn)，這種方法有效避免了全自動(dòng)配準(zhǔn)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。配準(zhǔn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 點(diǎn)云配準(zhǔn)結(jié)果

1.4.2 地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

三維激光掃描的坐標(biāo)系為測站坐標(biāo)系，要想實(shí)現(xiàn)地上地下空間一體化，需要對其進(jìn)行地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用控制點(diǎn)將三維激光掃描點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至項(xiàng)目所需坐標(biāo)系下。本文利用3 個(gè)控制點(diǎn)（圖2 中的地形點(diǎn)1、2、4）對其坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需要注意由于三維激光掃描坐標(biāo)系為右手系，而導(dǎo)線測量的控制點(diǎn)所使用的坐標(biāo)系為高斯平面坐標(biāo)系，為左手系，因此需要將高斯坐標(biāo)系的X、Y 坐標(biāo)進(jìn)行互換，轉(zhuǎn)換為右手系。轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云如圖4 所示，其軸系方向已經(jīng)與該地下人防工程實(shí)際建設(shè)方向一致。轉(zhuǎn)換后控制點(diǎn)點(diǎn)位殘差為1.2 mm，利用地形點(diǎn)3 和5 作為檢查點(diǎn)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后兩點(diǎn)的點(diǎn)位誤差分別為1.3 mm 和0.7 mm，均滿足1∶500 比例尺測圖需求。

圖4 地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果

1.4.3 點(diǎn)云分割

為了便于平面圖的繪制，需要去掉配準(zhǔn)結(jié)果點(diǎn)云的頂部和地面部分。分割后的點(diǎn)云依然存在一些雜亂的電線、現(xiàn)場堆放的雜物和其他不需要在平面圖中體現(xiàn)的地物，如管道、消防栓等，為保證平面圖繪制的精度和效率，需要對點(diǎn)云進(jìn)行進(jìn)一步編輯，刪除不需要的干擾物，分割后的點(diǎn)云如圖5 所示。

圖5 點(diǎn)云分割結(jié)果

1.5 成果導(dǎo)出

為了繪制平面圖和基于點(diǎn)云完成三維建模，需將點(diǎn)云導(dǎo)入AutoCAD 軟件和Revit 繪制，因此將點(diǎn)云導(dǎo)出為可導(dǎo)入AutoCAD 和Revit 的rcp 格式。

2 基于三維點(diǎn)云的平面圖繪制

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到AutoCAD 軟件中，即可根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在AutoCAD 軟件中繪制平面圖。

在繪制好平面圖初稿后，需對繪制的平面圖進(jìn)行檢查。除對繪圖質(zhì)量的常規(guī)檢查，還需對平面圖與實(shí)地的相符情況進(jìn)行檢查，即需要持平面圖到測量實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，通過調(diào)繪可以發(fā)現(xiàn)三維激光掃描數(shù)據(jù)處理中產(chǎn)生的錯(cuò)誤和被數(shù)據(jù)處理人員誤刪的重要測量目標(biāo)。

本項(xiàng)目重點(diǎn)調(diào)繪內(nèi)容有2 個(gè)。一是位于人防工程角落的隔間存在誤匹配和匹配錯(cuò)誤的情況。由于隔間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面積狹小，使用皮尺對隔間區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)測。二是位于內(nèi)部分的墻面拐角不是90°，經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)，三維激光掃描數(shù)據(jù)無誤。

根據(jù)調(diào)繪結(jié)果對平面圖進(jìn)行更改，結(jié)果如圖6 所示。經(jīng)檢查，該平面圖精度達(dá)到1∶500 地形圖精度。對其進(jìn)行整理，用于竣工檢查和數(shù)據(jù)存檔。

圖6 地下人防平面圖

3 基于三維點(diǎn)云的BIM 模型構(gòu)建

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)載入Revit 軟件，即可基于三維點(diǎn)云完成BIM 模型的構(gòu)建。首先進(jìn)行標(biāo)高的設(shè)置，設(shè)置完標(biāo)高后，即可運(yùn)用平面視圖搭建墻體、防護(hù)門、柱子、樓板和人防專有設(shè)備等構(gòu)件。在建立過程中可以實(shí)時(shí)點(diǎn)擊三維視圖查看自己建立的模型與點(diǎn)云模型的差別并進(jìn)行調(diào)整，亦可在屬性欄下的可見性/圖形替換里將點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)閉查看整體建立情況。所構(gòu)建的模型如圖7 所示。

圖7 地下人防三維模型

在模型中測量10 段距離，與實(shí)地測量距離比較，依次評價(jià)建模精度。計(jì)算得到距離中誤差為±0.146 m。經(jīng)比較，精度合格標(biāo)準(zhǔn)參考CH/T 9015—2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》[13]中Ⅱ級的三維模型精度要求。

4 結(jié)束語

本文利用三維激光掃描技術(shù)獲取地下人防空間初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并基于點(diǎn)云處理結(jié)果完成了對地下人防控制平面圖和BIM 模型的生產(chǎn)，且成圖精度滿足測量要求，數(shù)據(jù)可用于竣工交付和數(shù)據(jù)存檔。本文方法內(nèi)外業(yè)共耗時(shí)13 h，2 人即可完成地下人防工程測量的全部工作，大大提高了測量效率，為相關(guān)測量工作提供了解決方案，具有實(shí)際意義和參考價(jià)值。