利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行異型建筑物竣工測(cè)量

謝宏全，張 馳，尹吉祥，王 超，劉新霞

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行異型建筑物竣工測(cè)量

謝宏全1，張 馳1，尹吉祥2，王 超2，劉新霞3

( 1．淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇連云港222005; 2．連云港市勘察測(cè)繪院有限公司，江蘇連云港222000; 3．華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊050020)

一、引言

對(duì)于城市異型建筑的竣工測(cè)量，采用常規(guī)方法外業(yè)工作量較大，精度難以達(dá)到要求。隨著地面三維激光掃描儀的應(yīng)用，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，主要成果有:邢漢發(fā)等［1］證明了三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物測(cè)量中具有較好的應(yīng)用前景;張平等［2］通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，提取并計(jì)算了建筑物建筑面積;胡章杰等［3］證明了地面三維激光掃描技術(shù)完全能夠滿足建設(shè)工程規(guī)劃竣工核實(shí)的應(yīng)用需求。本文采用徠卡C10三維激光掃描儀，以連云港市金海置業(yè)廣場(chǎng)為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹建筑物建筑面積獲取的內(nèi)外業(yè)技術(shù)方法，并與常規(guī)竣工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

二、工程概況與點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

1．工程概況

金海置業(yè)廣場(chǎng)位于連云港市朝陽(yáng)東路和運(yùn)河路交叉口的西南角，是市區(qū)內(nèi)具有異型建筑代表性的建筑物之一，底部至頂部面積在減小，形狀也在變化。它由A座、B座及AB座連接部分構(gòu)成。A座共27層，由13種不同形狀的樓層構(gòu)成; B座共13層，由6種不同形狀的樓層構(gòu)成; AB座連接部分共3層，由3種不同形狀的樓層構(gòu)成。

2．掃描技術(shù)方案設(shè)計(jì)

本研究采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了達(dá)到掃描的目的與滿足精度要求，結(jié)合金海置業(yè)廣場(chǎng)周邊視野環(huán)境和目標(biāo)建筑物本身復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用全站儀導(dǎo)線方式對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行多站掃描。掃描線路布設(shè)成閉合導(dǎo)線，導(dǎo)線點(diǎn)位分布在建筑物的周邊，其中A座和B座建筑頂部構(gòu)造比較復(fù)雜，因此在建筑物的4個(gè)拐角處選擇合適的角度設(shè)站。閉合導(dǎo)線的布設(shè)略圖如圖1所示。

圖1 閉合導(dǎo)線的布設(shè)略圖

3．控制點(diǎn)布設(shè)

為了與驗(yàn)收單位的數(shù)據(jù)作對(duì)比，在相同坐標(biāo)系下獲取掃描數(shù)據(jù)。采用南方公司的靈銳S82T接收機(jī)，在JSCORS系統(tǒng)支持下，采用RTK方式對(duì)B座建筑物東側(cè)布設(shè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量，A點(diǎn)平面坐標(biāo)為( 45 674．293 m，16 767．051 m)，B點(diǎn)平面坐標(biāo)為( 45 623．468 m，16 763．060 m)。

4．點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

依據(jù)導(dǎo)線設(shè)計(jì)略圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在地面上做臨時(shí)導(dǎo)線控制點(diǎn)標(biāo)志。從A點(diǎn)開(kāi)始架設(shè)掃描儀，按照導(dǎo)線方式逐站進(jìn)行掃描，具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)［4—6］。在掃描20層以下建筑物時(shí)，選擇高等分辨率;掃描20層以上建筑物時(shí)，選擇超高分辨率。

三、建筑物面積提取

1．點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用儀器配套的隨機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone 8．0．3。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云噪聲處理和點(diǎn)云統(tǒng)一化處理。預(yù)處理后的點(diǎn)云如圖2所示。

圖2 去除噪聲后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2．目標(biāo)建筑橫切面提取

由于建筑物某些層的面積形狀是相同的，因此只提取有代表性的建筑層計(jì)算面積。下面以A座第18層為例，說(shuō)明橫切面提取及面積計(jì)算的方法。

1)提取層模型。在Cyclone軟件中用Rectangle Fence Mode命令選取A座第18層建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)Copy Fenced to New ModelSpace功能復(fù)制模型到新的模型空間。選取菜單欄中的Top View，從選取層的頂視圖可看到此層的粗略輪廓線。

2)將特征層導(dǎo)入CAD。預(yù)先安裝CloudWorx插件，在CAD軟件中會(huì)在菜單欄自動(dòng)出現(xiàn)Cloud-Worx選項(xiàng)。利用CloudWorx插件可將Cyclone軟件中的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入CAD中。在CAD菜單的三維視圖中選擇俯視，就可以出現(xiàn)層模型的輪廓線。

3)在CAD中繪制輪廓線。由于目標(biāo)建筑物很高且樓層越往上拐角越多，因此從地面使用仰角掃描樓層的中部和頂部時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)一些拐角被遮擋因而缺少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。為提高提取建筑物面積的精度，本研究采用構(gòu)造線的方法，彌補(bǔ)層模型一些規(guī)則的地方，如直角處與對(duì)稱處。導(dǎo)入CAD中的建筑物輪廓線有缺少數(shù)據(jù)的部分，根據(jù)對(duì)稱性原則，可以通過(guò)構(gòu)造線方法，較好地還原建筑層的形狀和特征(如圖3所示)。用構(gòu)造線對(duì)粗略輪廓線的所有邊都進(jìn)行勾畫(huà)，可以得到層模型比較精細(xì)的輪廓線。再用多線段對(duì)輪廓線進(jìn)行繪制(如圖4所示)，可以得到最終的建筑物精細(xì)輪廓線。

圖3 還原建筑層的形狀和特征

圖4 用多線段對(duì)輪廓線進(jìn)行繪制

3．建筑面積量測(cè)

利用CAD面積測(cè)量功能，可測(cè)得已繪制圖形的面積。常規(guī)測(cè)量方法得到的A座18層橫截面圖及其面積如圖5所示。

圖5 常規(guī)測(cè)量方法得到的A座18層橫截面積

四、結(jié)果分析

1．點(diǎn)位精度對(duì)比分析

為了與常規(guī)竣工測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，在建筑物底座隨機(jī)選擇了20個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 常規(guī)測(cè)量法與激光掃描法點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)比 m

由表1分析得出，激光掃描法測(cè)量坐標(biāo)精度中誤差為4．2 cm，滿足了驗(yàn)收單位對(duì)竣工測(cè)量主要地物點(diǎn)和次要地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差分別不應(yīng)大于5 cm 和7 cm的精度要求。

2．B座建筑面積對(duì)比分析

依據(jù)橫切面提取建筑物不同樓層面積方法，獲取B座建筑有代表性樓層的面積，與常規(guī)測(cè)量方法的面積對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 B座建筑面積對(duì)比

由表2分析得出，激光掃描法測(cè)量獲取的建筑物面積與常規(guī)測(cè)量方法的面積較差較小，面積較差絕對(duì)值平均值為0．987 m2，面積較差占總面積百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足了規(guī)范中對(duì)竣工測(cè)量面積誤差小于1%的要求。

3．A座與B座連接部分建筑面積對(duì)比分析

依據(jù)橫切面提取建筑物不同樓層面積方法，獲取A座與B座連接部分有代表性樓層的建筑面積，與常規(guī)測(cè)量方法的面積對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 A座B座連接部分建筑面積對(duì)比

由表3分析可知，激光掃描法測(cè)量獲取的AB座連接部分建筑物面積與常規(guī)測(cè)量方法的面積較差較小，面積較差絕對(duì)值平均值為6．296 3 m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范中對(duì)竣工測(cè)量面積誤差小于1%的要求。

4．A座建筑面積對(duì)比分析

依據(jù)橫切面提取建筑物不同樓層面積方法，獲取A座有代表性樓層的建筑面積，與常規(guī)測(cè)量方法的面積對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 A座建筑面積對(duì)比

由表4分析可知，激光掃描法測(cè)量獲取的第4層至第19層面積與實(shí)際計(jì)算面積較差較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范中對(duì)竣工測(cè)量面積誤差小于1%的要求。但是第20層至第27層面積與實(shí)際計(jì)算面積較差較大，不能滿足規(guī)范中對(duì)竣工測(cè)量面積誤差小于1%的要求。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能有兩種:一種是A座建筑物20層以上的部分大多是玻璃幕墻，這種材質(zhì)影響了激光點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;另一種是由于建筑物周邊地形的限制，儀器至建筑物的距離比較近，掃描時(shí)仰角較大，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定的影響。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究證明，地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于異型建筑物竣工測(cè)量中是可行的，體現(xiàn)出了它的優(yōu)越性。但是對(duì)于反射率較低的建筑材料(如玻璃幕墻)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量還不能滿足提取建筑面積的規(guī)范要求，有待于進(jìn)一步研究。由于儀器價(jià)格、技術(shù)規(guī)范等限制，此技術(shù)方法的廣泛應(yīng)用還需要依情況而定。

［1］ 邢漢發(fā)，高志國(guó)，呂磊．三維激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用［J］．工程勘察，2014( 5) : 52-57．

［2］ 胡章杰，薛梅．基于地面三維激光掃描的三維竣工規(guī)劃核實(shí)技術(shù)研究［J］．城市勘測(cè)，2013( 1) : 15-20．

［3］ 張平，黃承亮，朱清海，等．基于三維激光掃描技術(shù)的異型建筑物建筑面積竣工測(cè)量［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2014，37( 5) : 222-224．

［4］ 張志娟，田繼成，葛魯勇，等．全站儀模式獲取三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)方法研究［J］．測(cè)繪通報(bào)，2014( 9) : 87-89．

［5］ 戚萬(wàn)權(quán)．徠卡C10導(dǎo)線測(cè)量方法在大型掃描項(xiàng)目中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪通報(bào)，2013( 6) : 115-116．

［6］ 謝宏全，侯坤．地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2013．

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪文化建設(shè)彰顯專業(yè)特色

［本刊訊］2014年7月，四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院“工程測(cè)量技術(shù)”專業(yè)入選四川省高職院校省級(jí)重點(diǎn)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(建設(shè)周期2014—2016)。該項(xiàng)目建設(shè)中特別注重文化建設(shè)，突出文化育人。通過(guò)“測(cè)繪知識(shí)搶答賽”“測(cè)繪科技創(chuàng)新大賽”和“測(cè)量技能大賽”3大品牌文化活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)博大精深的測(cè)繪文化吸引人、熏陶人、感染人、教育人。2014年12月成功舉辦“科力達(dá)杯”第一屆測(cè)繪知識(shí)搶答賽。測(cè)繪學(xué)生參加第五屆、第六屆“北斗杯”全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽獲得一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)項(xiàng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)4項(xiàng)。成功舉辦“中海達(dá)杯”( 2014年)、“中翰杯”( 2015年)校級(jí)測(cè)量技能大賽; 2014、2015年成功舉辦“中緯杯”四川省高職院校測(cè)繪技能大賽，“工程測(cè)量技術(shù)”專業(yè)學(xué)生囊括4個(gè)一等獎(jiǎng);在全國(guó)職業(yè)院校技能大賽高職組“科力達(dá)杯”測(cè)繪賽項(xiàng)中取得優(yōu)異成績(jī)，2014年獲得“二等水準(zhǔn)測(cè)量”“工程施工放樣”和“1∶500數(shù)字測(cè)圖”3個(gè)分賽項(xiàng)二等獎(jiǎng)，2015年獲得“二等水準(zhǔn)測(cè)量”一等獎(jiǎng)、“一級(jí)導(dǎo)線測(cè)量”二等獎(jiǎng)和“1∶500數(shù)字測(cè)圖”三等獎(jiǎng)。

(本刊編輯部)

Method of Completion Measurement of Shaped Building Based on 3D Laser Scanning Technology

XIE Hongquan，ZHANG Chi，YIN Jixiang，WANG Chao，LIU Xinxia

采用常規(guī)方法對(duì)異形建筑物進(jìn)行竣工測(cè)量的工作效率和精度較低。以連云港市金海置業(yè)廣場(chǎng)為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要介紹了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的野外作業(yè)方法。在CAD和CloudWorx插件環(huán)境下，詳細(xì)闡述了橫切面方法獲取建筑物形狀方法，最后提取了具有代表性的建筑面積，并與驗(yàn)收數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)異形建筑竣工測(cè)量的技術(shù)方法是可行的。關(guān)鍵詞:異形建筑物;竣工測(cè)量;點(diǎn)云數(shù)據(jù);建筑面積

謝宏全( 1964—)，男，博士，教授，主要從事地面三維激光掃描技術(shù)與應(yīng)用研究。E-mail: ts_cheng_95@ 126．com

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B

0494-0911( 2015) 11-0072-04

謝宏全，張馳，尹吉祥，等．利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行異型建筑物竣工測(cè)量［J］．測(cè)繪通報(bào)，2015( 11) : 72-75．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0350

2015-03-11;

2015-08-31

江蘇省海洋科學(xué)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)學(xué)科資助