三維激光掃描技術(shù)在房屋建筑“多測合一”中的應(yīng)用

哈爾濱測繪儀器公司為您介紹摘要：本文在分析地面三維激光掃描儀優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,以某新區(qū)“多測合一”技術(shù)要求為基準(zhǔn),結(jié)合實際建設(shè)工程項目竣工驗收測量為例,提出了三維激光掃描技術(shù)在竣工驗收測量中的工作流程,并結(jié)合傳統(tǒng)測繪方式,對獲取的點云模型精度進(jìn)行驗證,三維點云模型中誤差達(dá)到±0.017m左右。研究結(jié)果表明,架站式三維激光掃描技術(shù)滿足竣工測量精度規(guī)范要求,對“多測合一”技術(shù)規(guī)范的推行具有指導(dǎo)意義。

0引言

近年來,隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷完善與技術(shù)革新,在土方測量、高危邊坡監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測以及文物保護(hù)測繪等得到廣泛應(yīng)用,對其他測繪方向的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。隨著國家“放管服”改革的重大決策的實施,《國務(wù)院辦公廳關(guān)于全面開展工程建設(shè)項目審批制度改革的實施意見》(國辦發(fā)〔2019〕11號)明確指出“多測合一”制度的實施方向,其中，“竣工驗收測量”是“多測合一”中的一項工作內(nèi)容。

為了更好地推進(jìn)“多測合一”政策的實施,國內(nèi)外相關(guān)專家與學(xué)者從“多測合一”政策與技術(shù)方面做了大量研究。楊東從新時代測繪領(lǐng)域的改革和建設(shè)單位生產(chǎn)效率、成本控制等方面進(jìn)行研究,探討出建設(shè)工程項目推行“多測合一”的必要性。謝慶慰等人從我國測繪科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平研究,驗證先進(jìn)的科技能力能更有效地促進(jìn)竣工測量和房產(chǎn)測繪到“多測合一”模式的結(jié)合[1]。余章蓉等人[2]通過傳統(tǒng)測繪技術(shù)與新興測繪技術(shù)在竣工測量中的應(yīng)用分析,驗證了新興技術(shù)的高效率及成果樣式的豐富多樣性,并提出一套適合該項目的技術(shù)流程。宋鶴寧等人[3]將即時定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping,SLAM)技術(shù)應(yīng)用的建筑工程竣工測量中,通過對比分析傳統(tǒng)測繪和SLAM技術(shù)不同的作業(yè)模式,討論SLAM激光掃描系統(tǒng)在竣工測量中的實用性。針對從實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)、全站儀、手持測距儀等傳統(tǒng)技術(shù)手段得到的成果樣式單一、信息量少及工作效率低等問題,有人驗證了三維激光掃描技術(shù)在竣工驗收測量中提高效率、豐富成果和輔助驗收審批的優(yōu)勢。崔磊等人[4]針對復(fù)雜異性建筑物,利用地面三維激光掃描儀進(jìn)行測量,建立三維點云模型并提取特征點與全站儀數(shù)據(jù)對比驗證三維激光掃描的可行性。其他學(xué)者也針對異性建筑竣工驗收測量,采用三維激光掃描或無人航測技術(shù)進(jìn)行大量研究[5-11]。

本文利用三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高效性及抗干擾性的優(yōu)勢,結(jié)合全站儀高精度的優(yōu)勢,以工程實例進(jìn)行驗證點云模型精度在竣工驗收測量中的可行性,凸顯該研究對“多測合一”的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1“多測合一”的內(nèi)涵和意義

“多測合一”就是將建設(shè)工程各階段涉及的測繪服務(wù)事項整合成一個綜合性的聯(lián)合測繪項目,一次委托一家具備相應(yīng)測繪資質(zhì)的測繪單位,采用統(tǒng)一的測繪標(biāo)準(zhǔn)實施全過程的測繪服務(wù),以免多次進(jìn)場、重復(fù)測繪,減輕企業(yè)壓力,優(yōu)化社會資源,實現(xiàn)“一次委托,統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),多測合并,成果共享”。目前不同試點城市針對“多測合一”的標(biāo)準(zhǔn)略有不同,但大部分標(biāo)準(zhǔn)都將竣工階段的一系列驗收事項進(jìn)行了合并。

“多測合一”將建設(shè)工程項目竣工驗收階段的規(guī)劃要素測繪、竣工地形圖測繪、消防驗收測繪、人防驗收測繪及房產(chǎn)登記測繪的不同測繪類別,采用國家規(guī)定的統(tǒng)一測繪基準(zhǔn)或該地區(qū)獨立的坐標(biāo)系統(tǒng),依據(jù)“多測合一”綜合技術(shù)規(guī)程進(jìn)行測繪,實現(xiàn)測繪標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,保證后期成果歸檔、數(shù)據(jù)入庫及共享提供了技術(shù)支撐。建設(shè)工程無論前期規(guī)劃選址階段、規(guī)劃許可階段還是竣工驗收階段都需要進(jìn)行控制測量和地形圖測繪工作,在“多測合一”實施之后,可以實現(xiàn)前期測繪成果的共享,減少后期不必要的重復(fù)工作,降低企業(yè)成本及負(fù)擔(dān)。當(dāng)項目現(xiàn)場具備測繪條件后,建設(shè)單位可以委托“多測合一”服務(wù)機(jī)構(gòu)名錄庫中的任意一家測繪單位,服務(wù)于建設(shè)項目的全周期,減少委托次數(shù),提高工作效率。也可通過“多測合一”信息平臺,建立各部門信息資源的互通,實現(xiàn)信息共享,提高審批效率。

2測量內(nèi)容及方法

2.1房屋建筑“竣工驗收測量”資料收集與分析

在開展竣工測量工作之前,首先向建設(shè)單位收集與建設(shè)工程項目相關(guān)的資料,包括建設(shè)用地規(guī)劃許可證、建設(shè)工程規(guī)劃許可證、附圖及附件、施工總平圖、分層平面圖、立面圖和剖面圖等相關(guān)資料。認(rèn)真核實規(guī)劃許可證、附圖及附件是否有規(guī)劃建設(shè)局蓋章。除此之外還應(yīng)核實建設(shè)工程項目現(xiàn)場是否具備竣工驗收條件。

2.2三維激光掃描技術(shù)的原理及方法

2.2.1工作原理

三維激光掃描技術(shù)作為一項實景復(fù)制技術(shù),是國際上近年來發(fā)展的一項全自動、高精度、高分辨率的立體掃描高新技術(shù)。它通過高速激光掃描測量的方法,大面積快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo),得到被測物體表面的海量“點云”數(shù)據(jù),為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。通過建筑空間特征點,實現(xiàn)三維激光點云與相機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算,對點云賦色進(jìn)行偏差糾正。

2.2.2作業(yè)流程

采用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行房屋建筑“竣工驗收測量”的作業(yè)流程(圖1)可分為：前期踏勘規(guī)劃、控制測量、外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)點云預(yù)處理、竣工驗收要素提取和成果繪制輸出。

圖1三維激光掃描技術(shù)竣工驗收測量流程

外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程：根據(jù)任務(wù)需求對三維激光掃描的測繪現(xiàn)場進(jìn)行踏勘,依據(jù)空間場景、復(fù)雜程度、關(guān)注的測繪要素以及工程精度要求,進(jìn)行掃描路線的規(guī)劃。根據(jù)掃描路線和現(xiàn)場測繪條件確定標(biāo)靶紙的布設(shè)位置,場區(qū)控制點布設(shè)時應(yīng)保證控制點與標(biāo)靶紙同時。掃描測站盡量覆蓋全部的建筑物外輪廓,遮擋嚴(yán)重時可多次設(shè)站,視野開闊地帶也盡可能保證測站間距20 m左右。掃描過程中在總平圖上繪制測站草圖及標(biāo)靶對應(yīng)的測站。保證每個標(biāo)靶正前方10 m左右架設(shè)一測站,利于內(nèi)業(yè)刺點。外業(yè)掃描完成后及時對現(xiàn)場樓棟進(jìn)行拍照,利于內(nèi)業(yè)人員對現(xiàn)場要素的判讀。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程：首先匯總該地塊的掃描原始數(shù)據(jù)、掃描測站草圖、標(biāo)靶對應(yīng)測站信息及標(biāo)靶控制點數(shù)據(jù)?；凇癈yclone REGISTER 360”軟件進(jìn)行點云拼接、配準(zhǔn)并導(dǎo)出質(zhì)量報告;基于“Cyclone”軟件導(dǎo)出樓棟的las數(shù)據(jù);在“RiSCAN_PRO”軟件中提取每棟樓的驗測點、條件點,平面不大于5 cm限差即可保證掃描數(shù)據(jù)滿足精度要求?；凇癓idarFeature”軟件進(jìn)行首層外輪廓提取,如存在底層裙樓和上層塔樓、塔樓錯層等情況,錯層處的結(jié)構(gòu)分割線也進(jìn)行提取。

2.2.3關(guān)鍵技術(shù)研究

RTC360掃描儀Z大的優(yōu)勢為自動整平技術(shù)和視覺追蹤技術(shù)(visual identity system,VIS),通過內(nèi)置相機(jī)和慣性傳感器(inertial measurement unit,IMU)實時計算連續(xù)相鄰測站的相對位置,實現(xiàn)外業(yè)階段無須公共特征點的自動拼接功能,即提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率,又減少了內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作量。針對不連續(xù)測站,內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)拼接時“Cyclone REGISTER 360”軟件具有目視對準(zhǔn)功能,無須尋找同名點拼接,提高內(nèi)業(yè)效率?！癓idarFeature”點云數(shù)據(jù)采集矢量化軟件具備實時的點云切片功能,利于外輪廓線的提取。三維激光掃描儀的外業(yè)數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)件處理軟優(yōu)勢相結(jié)合,在保證工程項目精度要求的前提下,極大地提高工作效率。

3應(yīng)用實例

3.1項目概況

試驗區(qū)位于某新區(qū)安置房項目,總規(guī)劃用地面積約12.7 km2,如圖2所示。以其中某一街區(qū)為例,由于是剛建好的小區(qū),測區(qū)內(nèi)主要以建筑物、內(nèi)部道路以及部分低矮綠化植被為主,場區(qū)不存在高大遮擋物,測量條件較好,比較適合三維激光掃描儀進(jìn)行測量。

圖2項目場區(qū)

3.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.2.1控制測量

為滿足該街區(qū)安置房竣工驗收測量精度要求,根據(jù)“多測合一”技術(shù)規(guī)程要求,向新區(qū)管理委員會申請了4個C級全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global

navigation satellite system,GNSS)平面控制點和三等水準(zhǔn)點。以其中一個控制點為基準(zhǔn),采用GNSS-RTK在場區(qū)布設(shè)3個二級控制點;以其中兩個三等水準(zhǔn)點為基準(zhǔn),采用附和水準(zhǔn)路線對場區(qū)控制點進(jìn)行高程聯(lián)測。

該街區(qū)共有11棟住宅樓,共計布設(shè)標(biāo)靶6個,在二級導(dǎo)線點上架設(shè)全站儀,對標(biāo)靶進(jìn)行測量。

3.2.2三維激光點云數(shù)據(jù)采集

本街區(qū)三維激光點云數(shù)據(jù)采集采用徠卡RTC360三維激光掃描儀,其有效射程約130 m,Z高點位精度達(dá)1.9 mm,內(nèi)置相機(jī)單鏡頭達(dá)3 600萬像素,20 m射程內(nèi)點云間距約2 cm。

RTC360三維激光掃描儀外業(yè)具備基于視覺追蹤技術(shù)的自動拼接功能,為保證拼接精度,針對該街區(qū)三維激光掃描采用似“8字形”掃描路線,如圖3所示。既能對關(guān)注對象的掃描覆蓋率達(dá)到100%,又能保證每個測段的掃描閉合到起點,優(yōu)化該測段拼接的整體平差,提高拼接準(zhǔn)確率。

圖3掃描路線

根據(jù)項目關(guān)注的對象,不同場景,設(shè)置相應(yīng)的掃描參數(shù)。點云密度共有高、中和低3個等級,其中點云密度越高有效測程隨之降低,在掃描過程中,依據(jù)測站位置與掃描對象的距離、掃描對象的復(fù)雜程度等進(jìn)行綜合分析,選擇Z有效的參數(shù)。本街區(qū)共計完成三維掃描111站,點云總體重疊度在50%左右。

3.3點云數(shù)據(jù)處理

點云預(yù)處理分為：標(biāo)靶數(shù)據(jù)整理、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云拼接、點云配準(zhǔn)、點云去噪、點云分割6個部分。

標(biāo)靶數(shù)據(jù)整理是將全站儀觀測的現(xiàn)場標(biāo)靶數(shù)據(jù)按照點云處理軟件要求的格式進(jìn)行整理,并備注標(biāo)靶對應(yīng)的測站序號。

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理是將外業(yè)采集的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入“Cyclone REGISTER 360”軟件,對點云拼接參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,做一次粗拼接。

點云拼接是在點云預(yù)處理的基礎(chǔ)上,針對不同掃描時段或不相鄰測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行手動拼接,達(dá)到該區(qū)域整體點云拼接完成。

點云配準(zhǔn)是將整理的標(biāo)靶數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件,在對應(yīng)測站掃描的點云中刺該標(biāo)靶中心位置,并按照標(biāo)靶數(shù)據(jù)點號名進(jìn)行同名標(biāo)準(zhǔn),刺完所有標(biāo)靶后進(jìn)行控制數(shù)據(jù)應(yīng)用,實現(xiàn)點云從掃描坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

點云去噪是將點云中的異常點、與關(guān)注對象無關(guān)的點云進(jìn)行刪除處理。

點云分割是將該街區(qū)11棟住宅樓進(jìn)行單體化分割,利于后期規(guī)劃要素提取、建筑物外輪廓以及立面圖繪制等。

3.4點云模型精度分析

為了驗證三維激光點云模型精度,通過全站儀實測平面坐標(biāo)與三維激光掃描測量坐標(biāo)對比,求取該街區(qū)三維激光點云模型中誤差,計算公式為

式中,Δ為觀測值與真值之差;n為觀測值個數(shù)。

該街區(qū)采用全站儀對該街區(qū)的11棟住宅樓的樓角都進(jìn)行了測量如表1所示。共計測量點位23個,由計算公式可得，平面Z小誤差為0.005 m,Z大誤差0.033 m,模型平面精度中誤差為±0.017 m,滿足竣工驗收測量的精度要求。

表1平面數(shù)據(jù)精度分析單位：m

3.5竣工測量要素內(nèi)業(yè)處理

3.5.1驗測點、條件點提取

房屋建筑“竣工驗收測量”關(guān)注的重點之一就是實測驗測點與四至距離,與規(guī)劃許可證附圖標(biāo)注的數(shù)值進(jìn)行對比,核驗建設(shè)工程項目是否按照規(guī)劃審批時的要求進(jìn)行建設(shè),依據(jù)“多測合一”技術(shù)規(guī)程要求,驗測點和條件點測繪即可采用傳統(tǒng)測量方式,也可采用三維激光掃描的點云模型進(jìn)行測量。該街區(qū)建筑物的驗測點和條件點均采用三維激光點云模型提取,首先提取將分割的點云模型導(dǎo)入“RiSCAN_PRO”點云處理軟件,該軟件具有基于點云直接提取坐標(biāo)值,并以文本方式直接輸出的功能。

3.5.2建筑物外輪廓繪制

建筑物外輪廓繪制包括建筑物Z大外輪廓和建筑基底線,其中建筑物Z大外輪廓為了核驗建筑物是否超出建筑退界線,建筑基底線為了核驗建筑密度是否超出規(guī)劃要求。由于建筑物Z大外輪廓的外邊線不僅僅存在于某一層,既有首層輪廓存在Z大外邊線,也有屋頂?shù)奶糸軐儆谠摌堑?span style="font-family: arial, helvetica, sans-serif; text-indent: 32px;">Z大外邊線,因此使用一般繪圖軟件不易判讀、不易繪制,本項目采用“LidarFeature”軟件基于點云繪制外輪廓具有實時上下移動切片的功能,易于繪制建筑物外輪廓,如圖4所示。

圖4點云切片建筑物外輪廓線

3.5.3建筑物立面測繪

建筑物立面測繪是為了反映建筑物室內(nèi)外地坪高程、層高、層數(shù)以及建筑高度。

基于分割出的單體建筑點云數(shù)據(jù),制作出所需位置的立面光柵圖像。為便于后續(xù)工作圖像數(shù)據(jù)的區(qū)分,將圖像文件根據(jù)立面方向、位置等信息進(jìn)行命名。

將處理得到的所需位置立面光柵圖像后,在CAD中將其旋轉(zhuǎn)、擺平到XY平面。依據(jù)室外地坪基準(zhǔn)線擺放到對應(yīng)高程處,將該基準(zhǔn)位置的Y值改為室外地坪的高程值,從而使得圖面任意位置的Y值對應(yīng)該位置的標(biāo)高。繪制要素包括主體墻外輪廓線、分層結(jié)構(gòu)線、正負(fù)零基準(zhǔn)線、室外地坪基準(zhǔn)線等。

4結(jié)束語

(1)徠卡RTC360三維激光掃描儀操作簡單,具有外業(yè)相鄰測站自動拼接功能,減少內(nèi)業(yè)工作量,針對竣工驗收測量條件較差的場景,三維激光掃描技術(shù)能極大地提高工作效率。

(2)本文實例應(yīng)用的三維激光點云模型平面精度中誤差達(dá)到±0.017 m。驗證三維激光點云模型的絕D精度滿足竣工測量精度規(guī)范要求。

(3)通過本文項目應(yīng)用研究,對三維激光掃描技術(shù)在“多測合一”測繪項目中的應(yīng)用研究具有指導(dǎo)意義。