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,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行驗證,三維點云模型中誤差達到±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“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,驗證先進的科技能力能更有效地促進竣工測量和房產(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)一的測繪標準實施全過程的測繪服務(wù),以免多次進場、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)一標準,多測合并,成果共享”。目前不同試點城市針對“多測合一”的標準略有不同,但大部分標準都將竣工階段的一系列驗收事項進行了合并。

“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)一測繪基準或該地區(qū)獨立的坐標系統(tǒng),依據(jù)“多測合一”綜合技術(shù)規(guī)程進行測繪,實現(xiàn)測繪標準的統(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)成本及負擔(dān)。當項目現(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,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)保證控制點與標靶紙同時。掃描測站盡量覆蓋全部的建筑物外輪廓,遮擋嚴重時可多次設(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靶對應(yīng)的測站。保證每個標靶正前方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、標靶對應(yīng)測站信息及標靶控制點數(shù)據(jù)。基于“Cyclone REGISTER 360”軟件進行點云拼接、配準并導(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”軟件具有目視對準功能,無須尋找同名點拼接,提高內(nèi)業(yè)效率。“LidarFeature”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點。以其中一個控制點為基準,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點為基準,采用附和水準路線對場區(qū)控制點進行高程聯(lián)測。

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

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1.9 mm,內(nèi)置相機單鏡頭達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、點云去噪、點云分割6個部分。

標靶數(shù)據(jù)整理是將全站儀觀測的現(xiàn)場標靶數(shù)據(jù)按照點云處理軟件要求的格式進行整理,并備注標靶對應(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)進行手動拼接,達到該區(qū)域整體點云拼接完成。

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

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

點云分割是將該街區(qū)11棟住宅樓進行單體化分割,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與三維激光掃描測量坐標對比,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)劃許可證附圖標注的數(shù)值進行對比,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)室外地坪基準線擺放到對應(yīng)高程處,將該基準位置的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)該位置的標高。繪制要素包括主體墻外輪廓線、分層結(jié)構(gòu)線、正負零基準線、室外地坪基準線等。

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。