黃開鑫 王光澤 羅知真

(南昌市測繪勘察研究院有限公司 江西 南昌 330038)

1 引言

隨著我國城市化進程的快速發(fā)展以及人們對生活環(huán)境改善的迫切需求，越來越多的城市對設施陳舊、老化、配套設施不齊的老舊小區(qū)進行提升改造。老舊小區(qū)缺乏翔實的大比例地形圖、樹木及建筑立面圖等現(xiàn)狀基礎數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)采集方法是：外業(yè)使用全站儀、測距儀、皮尺等設備獲取三維坐標和長寬尺寸等數(shù)據(jù)，內業(yè)結合外業(yè)草圖進行制圖，但該方法投入人力大、作業(yè)時間長、工作效率低。三維激光技術是一種新型技術，以全數(shù)字化、快速、高精度和不接觸的特點[1]，利用三維激光技術進行外業(yè)的點云數(shù)據(jù)采集，內業(yè)通過儀器自帶軟件進行點云數(shù)據(jù)的去噪、自動拼接、配準和坐標轉換等工序，再借助制圖軟件完成各種圖件編制[2]。該方法外業(yè)采集時間短、工作效率高、點云數(shù)據(jù)信息量大且精度高，很好地補充了傳統(tǒng)方法的不足。

2 項目需求及技術流程

2.1 項目需求及難點

經(jīng)技術調研，項目需求主要有：一是對測區(qū)進行約0.65km2的1∶500 地形圖測繪；二是對測區(qū)范圍內約3700 棵胸徑10cm 以上的樹木進測量和標注樹木品種，并對樹穴（圍護設施）進行測量；三是對測區(qū)范圍內約155000m2建筑物外立面進行測量，繪制建筑物立面示意圖，并按陽臺、店招、門、窗戶、面磚等要素和材質進行分類統(tǒng)計。甲方為節(jié)約時間和成本，由設計方現(xiàn)場調研和普查，減少重復戶型建筑的立面測量工作，并用不同的顏色區(qū)分不同戶型的建筑，立面測量時選擇同一色中的任意一棟建筑即可，未填充色彩的建筑需要全部測量建筑立面；四是需要在10 個工作日內提供以上所有測繪成果。采用常規(guī)方法無法滿足甲方的工期要求，且測區(qū)的空域限飛和空間狹小情況也無法采用無人機作業(yè)模式。

從實地踏勘得知，本項目實施過程中主要困難是測區(qū)內的人流、車流量大，測區(qū)范圍內植被茂盛，大多數(shù)的樹木為樟樹，枝葉茂密，遮擋嚴重。GNSS RTK圖根控制布設難度較大。

2.2 作業(yè)模式的選取

根據(jù)項目特點，采用設站式三維激光掃描進行實地掃描，并通過點云配準技術進行拼接，可實現(xiàn)大部分外業(yè)數(shù)據(jù)一次性采集，適當進行補充測繪即可完成外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作。文獻[3]通過多種點云數(shù)據(jù)匹配模式，得出了基于標靶的點云數(shù)據(jù)配準精度與基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準精度接近且較高的結論。文獻[4?5]系統(tǒng)闡述了激光點云數(shù)據(jù)進行大比例尺地形圖測繪的方法和可行性。文獻[6?8]通過實例方式驗證了三維激光掃描技術在建筑物立面測量中的優(yōu)越性和精度的可靠性。因此，選用三維激光掃描進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，結合內業(yè)編輯完成本項目，是目前比較理想的作業(yè)模式。

2.3 技術流程

經(jīng)實地踏勘及技術調研，依據(jù)甲方的技術要求，該項目的技術流程可分為測前準備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果交付四個環(huán)節(jié)，其技術流程圖如下：

圖1 技術流程圖

3 基礎數(shù)據(jù)獲取

3.1 測前準備

3.1.1 工作內容和要求

在測繪工作開展前，主要準備工作有：

（1）資料收集：收集測區(qū)已有的平面點和高程點的起算數(shù)據(jù)，已有的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)，并對以上資料進行可靠性檢驗。

（2）實地踏勘：通過對測區(qū)的踏勘，詳細掌握測區(qū)及其周邊的環(huán)境，并巡查測區(qū)已控制點是否保存完好，巡視已有數(shù)字線劃圖的現(xiàn)勢性是否滿足項目的要求等。

（3）編制方案：結合實地踏勘情況和甲方的測量需求，編制項目技術實施方案。

（4）人員設備準備：組織人員、協(xié)調儀器設備，對投入的技術人員進行培訓，明確工作職責和任務目標。

3.1.2 方案編制

依據(jù)甲方需求和規(guī)范，對本項目的技術實施方案進行編制：

（1）布設圖根控制，再基于測站式點云采集。掃描儀采用Leica P50，該儀器為長測程三維激光掃描儀，測程最遠可達1 km。

（2）規(guī)劃好點云掃描設站點、掃描路線和采集時間等工作。點云采集時間選擇在上午9:30～下午4:30，夜間作業(yè)時間可選擇在夜間8:00之后。

（3）點云配準軟件采用Cyclone，地形圖繪圖采用北京山維EPS 點云測圖軟件，立面圖采用制圖軟件進行繪制，利用自行設計的“建筑立面測量要素分類與統(tǒng)計程序1.0”程序進行立面要素分類與統(tǒng)計工作等。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.2.1 控制點測量

（1）平面控制測量

為保證測量精度，采用先控制后碎部的原則。平面控制點按兩級布設，先采用RTK 按三級要求布設高等級平面控制點,后采用圖根導線加密。項目采用網(wǎng)絡RTK 測量，基準站利用江西省連續(xù)運行參考站JXCORS。本項目共布設控制點60 個，點位密度及分布情況滿足地形圖測繪要求。平差計算后的相對于圖根起算點的實測最弱點精度為±9mm，相對于鄰近圖根點的實測最弱點精度為±6 mm，各項精度指標均滿足規(guī)范要求。

（2）高程控制測量

采用DS05 級的天寶DINI03 電子水準儀配合3米銦鋼尺進行圖根水準測量。利用科傻控制測量軟件以距離定權進行水準平差計算，高程值取位至毫米。平差后的最弱點高程中誤差為0.9 mm,最弱相鄰點高差中誤差為0.5 mm,均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 點云數(shù)據(jù)采集

（1）主路設站間距選擇80 米左右，小路、支路及宅間道路的站點間距選擇40 米左右，地形要素采集的站點間距可適當增加，確保數(shù)據(jù)一定的重疊度，保證數(shù)據(jù)完整、齊全，由于掃描線路節(jié)點多，可設置標靶進行標記。

（2）設置掃描參數(shù)，主路和需要立面測繪的站點采用6.3 mm@10 m 分辨率作業(yè)，其他地方的站點設置較低分辨率12.5 mm@10 m。該方式有利于提高點云質量，減少冗余點云數(shù)據(jù)，提高作業(yè)效率。

（3）目標物掃描時，先在控制點上架設儀器，后在另一控制點上定向，完成參數(shù)設置、設站及定向工作后，方可進行目標物掃描。對需要立面圖的建筑進行加密掃描，保證立面數(shù)據(jù)的完整無缺，一般一棟建筑四周立面數(shù)據(jù)需要架設6 站。對地形圖要素掃描的原則是：在確保完整覆蓋整個測區(qū)的前提下少設站。目的是提高工作效率和減少拼接誤差。本次采集工作共投入4 人進行外業(yè)掃描，共設置測站235站，掃描作業(yè)時間2天半。

（4）目標物的紋理圖像數(shù)據(jù)采集可利用三激光掃描儀內置相機拍攝的方式，一體化采集影像數(shù)據(jù)，后期可實現(xiàn)與點云數(shù)據(jù)的自動整合，同時利用手機或相機進行影像或視頻拍攝，特別要對地形和立面復雜區(qū)域進行拍攝，目的是恢復作業(yè)人員的記憶，在內業(yè)數(shù)據(jù)制圖時，幫助數(shù)據(jù)制圖人員在不返回測區(qū)的前提下勝利完成制圖工作。

（5）外業(yè)人員還需要進行樹種調查，因測區(qū)內大多為樟樹，因此，只需要對非樟樹進行調查，將樹木的位置和樹種標示在外業(yè)草圖上，同時也進行影像拍攝，以助內業(yè)人員更好地判斷樹種和位置。

3.3 內業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.3.1 點云數(shù)據(jù)處理

1）點云拼接

掃描儀在各個測站獲取的是局部點云，要得到測區(qū)的完整點云數(shù)據(jù)，需將外業(yè)采集的掃描數(shù)據(jù)導入Cyclone 軟件，再進行點云的自動拼接融合、配準等工序才能拼接出完整的測區(qū)點云數(shù)據(jù)。

2）點云處理

拼接好的點云數(shù)據(jù)需要進行統(tǒng)一化、去噪、分層、裁切等工序才能滿足后序數(shù)據(jù)制圖要求。點云統(tǒng)一化的目的是將站點云統(tǒng)一處理為單一的合并點云，也可在該過程中進行點云的等比例抽稀。因統(tǒng)一化操作是不可逆的，在執(zhí)行該操作前應做好備份工作。點云去噪的目的是讓有效點保留，無效點去除，比如點云數(shù)據(jù)中的人、車等非地形地物要素均可去除。點云的分層與裁切的本質是將點云劃分成若干個點云子集，以便數(shù)據(jù)的分類導出，便于后期的數(shù)據(jù)制圖工作。

3.3.2 數(shù)據(jù)制圖

（1）地形地物和樹木繪制

本次利用北京山維EPS 立體測圖軟件進行地形圖和樹木的繪制工作。在繪地形圖時充分利用三維掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)、紋理圖像數(shù)據(jù)及人工拍攝的相片或視頻資料進行地形地物要素的編輯，并對部分遮擋區(qū)域的圖進行整飾，必要時適當進行外業(yè)補充測量，確保地形圖的完整、齊全。繪制樹木專題圖時，需要繪制樹木及樹穴（圍護實施）位置，并結合外業(yè)樹種調查情況，在對應的樹木位置標注樹種。

（2）建筑點云數(shù)據(jù)再處理

為緩解大量點云數(shù)據(jù)對電腦運行速度的影響，適當優(yōu)化已處理好的點云數(shù)據(jù)，可刪除樹木、路邊線等非建筑點云的點云數(shù)據(jù)，并對點云進行整體著色，利用制圖軟件進行點云的展示以輔助建筑立面圖繪制。

（3）建筑立面圖繪制

在點云導入前，要在制圖軟件中新建三維繪圖模式，并設置數(shù)據(jù)精度和尺寸單位。在制圖軟件菜單欄中點擊插入→點云→附著，找到點云存放的路徑，找到相應格式的點云數(shù)據(jù)，即可導入制圖軟件中。由于點云是三維坐標數(shù)據(jù)，但是建筑立面圖所需的僅僅是二維數(shù)據(jù)，所以我們需要設置新的UCS坐標系,才能以正視角度進行該建筑的立面圖繪制。完成該立面圖繪制后，需新建一個二維繪圖模式的空白文檔，將剛繪好的立面圖復制到二維文檔中。繪制下一面的建筑立面時，需重復以上操作，直至完成所有的立面圖繪制。立面圖通過數(shù)據(jù)質檢后，利用自行設計的“建筑立面測量要素分類與統(tǒng)計程序1.0”進行各要素的分類與統(tǒng)計工作等。以下是部分繪制好的建筑立面圖。

圖2 部分建筑立面圖

3.4 精度檢驗

為檢驗三維激光掃描儀在本項目中的測量精度，采用全站儀結合鋼尺丈量方式進行檢測，具體如下：

3.4.1 地形地物精度檢驗

本次地形地物(包含樹木)精度檢驗的采樣和中誤差情況如下表1，檢測結果表明地形地物(包含樹木)的間距中誤差和點位中誤差符合《城市測量規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）第6.1.6“地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差（圖上mm）≤0.5（即25cm），地物點相對鄰近地物點間距中誤差（圖上mm）≤0.4（即20cm）的要求；地形地物(包含樹木)的高程精度符合《規(guī)范》第6.1.7“城市建筑區(qū)和基本等高距為0.5m 的平坦地區(qū)，1∶500、1∶1000、l∶2000DLG的高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應大于0.15m”的要求。

表1 地形地物精度檢驗情況

3.4.2 建筑立面精度檢驗

如今針對立面測量還沒有相關標準，立面成果尺寸精度要求借鑒《規(guī)范》第6.1.6“地物點相對鄰近地物點間距中誤差（圖上mm）≤0.4（即20cm）”的規(guī)定要求，立面面積精度借鑒《規(guī)范》第11.1.5“表11.1.5房產(chǎn)面積測算的精度指標（m2）中三級”精度等級的要求。

（1）立面尺寸精度檢驗

本次立面測量共涉及建筑物66 棟，按照規(guī)范結合現(xiàn)場情況隨機抽取建筑物16 棟進行外業(yè)檢查，檢測內容包含：

1）立面要素表達的完整性及正確性；

2）立面要素分類的正確性；

3）立面特征點相對精度。每棟建筑物抽查立面抽查特征邊長不少于20條。本次共檢測646條特征邊長，經(jīng)核算，立面、尺寸間距中誤差為±3.1 cm，檢測結果表明中誤差符合《規(guī)范》要求。

（2）立面面積精度檢驗

選取了13 棟建筑的部分立面、窗戶、門廊等共計81 個面積成果進行檢測，檢測結果表明面積較差的限差均滿足《規(guī)范》要求。

4 相關技術問題

經(jīng)實踐，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術在城市老舊小區(qū)改造項目測量中的應用中應注意幾個問題，具體如下：

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集模式

同時獲取地形圖及建筑立面等點云數(shù)據(jù)，采用先控制后碎部、基于設站的點云數(shù)據(jù)采集模式。點云拼接方法是絕對拼接方法，該作業(yè)模式外業(yè)人員投入較多，外業(yè)作業(yè)效率有所下降，但有效地控制了誤差傳播，確保了測量精度，且整體比常規(guī)的全站儀作業(yè)模式效率高。若無需提供基礎坐標及其他地形地物要素的項目，可采用基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集模式，將大幅提高外業(yè)生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮三維激光掃描儀的外業(yè)數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢。

（2）紋理影像采集

三維激光掃描儀具有全天候作業(yè)的優(yōu)勢，本項目的數(shù)據(jù)采集時間有白天和夜間，但夜間的紋理圖像數(shù)據(jù)采集效果欠佳，對紋理圖像數(shù)據(jù)要求較高的項目，不宜在夜間采集數(shù)據(jù)。在實施過程中，利用了內置相機采集紋理影像數(shù)據(jù)，但后期制圖中發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描儀采集的紋理影像數(shù)據(jù)目前沒有照相機拍攝的相片清晰和直觀，建議在同類項目實施過程中，關閉紋理影像采集功能，一是可提高外業(yè)生產(chǎn)效率，二是可大幅降低點云數(shù)據(jù)文件的大小。

（3）點云數(shù)據(jù)的傳輸與處理

掃描儀中的點云數(shù)據(jù)文件巨大，動輒幾十GB，一次性導入耗時長，且數(shù)據(jù)傳輸時容易中斷或傳輸失敗?？刹捎梅峙鷮氲姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)處理有很多操作是不可逆的，在進行數(shù)據(jù)處理前，建議對點云數(shù)據(jù)進行備份。

5 結束語

本文以老舊小區(qū)改造測量工作為實踐對象，系統(tǒng)闡述了三維激光掃描作業(yè)流程、數(shù)據(jù)處理及技術要點等內容。用傳統(tǒng)方法校核了地形、地物、地貌及立面圖的成果精度。實踐證明，三維激光掃描技術可快速高效地采集外業(yè)數(shù)據(jù)，降低了外業(yè)作業(yè)的勞動強度。在項目實施過程中，應著重測量方案的編制，點云數(shù)據(jù)采集參數(shù)及站點的設置，點云拼接、去噪、分層及裁切的方法和內業(yè)成圖的技藝等關鍵技術。當然，三維激光掃描技術也有自身的短板，實際操作中需要借助傳統(tǒng)方法進行配合。