三维激光扫描技术在房屋建筑“多测合一”中的应用

哈尔滨测绘仪器公司为您介绍摘要：本文在分析地面三维激光扫描仪优势的基础上,以某新区“多测合一”技术要求为基准,结合实际建设工程项目竣工验收测量为例,提出了三维激光扫描技术在竣工验收测量中的工作流程,并结合传统测绘方式,对获取的点云模型精度进行验证,三维点云模型中误差达到±0.017m左右。研究结果表明,架站式三维激光扫描技术满足竣工测量精度规范要求,对“多测合一”技术规范的推行具有指导意义。

0引言

近年来,随着三维激光扫描技术的不断完善与技术革新,在土方测量、高危边坡监测、建筑物变形监测以及文物保护测绘等得到广泛应用,对其他测绘方向的应用具有指导作用。随着国家“放管服”改革的重大决策的实施,《国务院办公厅关于全面开展工程建设项目审批制度改革的实施意见》(国办发〔2019〕11号)明确指出“多测合一”制度的实施方向,其中，“竣工验收测量”是“多测合一”中的一项工作内容。

为了更好地推进“多测合一”政策的实施,国内外相关专家与学者从“多测合一”政策与技术方面做了大量研究。杨东从新时代测绘领域的改革和建设单位生产效率、成本控制等方面进行研究,探讨出建设工程项目推行“多测合一”的必要性。谢庆慰等人从我国测绘科学技术发展水平研究,验证先进的科技能力能更有效地促进竣工测量和房产测绘到“多测合一”模式的结合[1]。余章蓉等人[2]通过传统测绘技术与新兴测绘技术在竣工测量中的应用分析,验证了新兴技术的高效率及成果样式的丰富多样性,并提出一套适合该项目的技术流程。宋鹤宁等人[3]将即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)技术应用的建筑工程竣工测量中,通过对比分析传统测绘和SLAM技术不同的作业模式,讨论SLAM激光扫描系统在竣工测量中的实用性。针对从实时动态载波相位差分技术(real time kinematic,RTK)、全站仪、手持测距仪等传统技术手段得到的成果样式单一、信息量少及工作效率低等问题,有人验证了三维激光扫描技术在竣工验收测量中提高效率、丰富成果和辅助验收审批的优势。崔磊等人[4]针对复杂异性建筑物,利用地面三维激光扫描仪进行测量,建立三维点云模型并提取特征点与全站仪数据对比验证三维激光扫描的可行性。其他学者也针对异性建筑竣工验收测量,采用三维激光扫描或无人航测技术进行大量研究[5-11]。

本文利用三维激光扫描技术具有高精度、高效性及抗干扰性的优势,结合全站仪高精度的优势,以工程实例进行验证点云模型精度在竣工验收测量中的可行性,凸显该研究对“多测合一”的应用具有指导意义。

1“多测合一”的内涵和意义

“多测合一”就是将建设工程各阶段涉及的测绘服务事项整合成一个综合性的联合测绘项目,一次委托一家具备相应测绘资质的测绘单位,采用统一的测绘标准实施全过程的测绘服务,以免多次进场、重复测绘,减轻企业压力,优化社会资源,实现“一次委托,统一标准,多测合并,成果共享”。目前不同试点城市针对“多测合一”的标准略有不同,但大部分标准都将竣工阶段的一系列验收事项进行了合并。

“多测合一”将建设工程项目竣工验收阶段的规划要素测绘、竣工地形图测绘、消防验收测绘、人防验收测绘及房产登记测绘的不同测绘类别,采用国家规定的统一测绘基准或该地区独立的坐标系统,依据“多测合一”综合技术规程进行测绘,实现测绘标准的统一,保证后期成果归档、数据入库及共享提供了技术支撑。建设工程无论前期规划选址阶段、规划许可阶段还是竣工验收阶段都需要进行控制测量和地形图测绘工作,在“多测合一”实施之后,可以实现前期测绘成果的共享,减少后期不必要的重复工作,降低企业成本及负担。当项目现场具备测绘条件后,建设单位可以委托“多测合一”服务机构名录库中的任意一家测绘单位,服务于建设项目的全周期,减少委托次数,提高工作效率。也可通过“多测合一”信息平台,建立各部门信息资源的互通,实现信息共享,提高审批效率。

2测量内容及方法

2.1房屋建筑“竣工验收测量”资料收集与分析

在开展竣工测量工作之前,首先向建设单位收集与建设工程项目相关的资料,包括建设用地规划许可证、建设工程规划许可证、附图及附件、施工总平图、分层平面图、立面图和剖面图等相关资料。认真核实规划许可证、附图及附件是否有规划建设局盖章。除此之外还应核实建设工程项目现场是否具备竣工验收条件。

2.2三维激光扫描技术的原理及方法

2.2.1工作原理

三维激光扫描技术作为一项实景复制技术,是国际上近年来发展的一项全自动、高精度、高分辨率的立体扫描高新技术。它通过高速激光扫描测量的方法,大面积快速获取被测对象表面的三维坐标,得到被测物体表面的海量“点云”数据,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。通过建筑空间特征点,实现三维激光点云与相机采集的影像数据之间的转换参数计算,对点云赋色进行偏差纠正。

2.2.2作业流程

采用地面三维激光扫描技术进行房屋建筑“竣工验收测量”的作业流程(图1)可分为：前期踏勘规划、控制测量、外业点云数据采集、内业点云预处理、竣工验收要素提取和成果绘制输出。

图1三维激光扫描技术竣工验收测量流程

外业数据采集流程：根据任务需求对三维激光扫描的测绘现场进行踏勘,依据空间场景、复杂程度、关注的测绘要素以及工程精度要求,进行扫描路线的规划。根据扫描路线和现场测绘条件确定标靶纸的布设位置,场区控制点布设时应保证控制点与标靶纸同时。扫描测站尽量覆盖全部的建筑物外轮廓,遮挡严重时可多次设站,视野开阔地带也尽可能保证测站间距20 m左右。扫描过程中在总平图上绘制测站草图及标靶对应的测站。保证每个标靶正前方10 m左右架设一测站,利于内业刺点。外业扫描完成后及时对现场楼栋进行拍照,利于内业人员对现场要素的判读。

内业数据处理流程：首先汇总该地块的扫描原始数据、扫描测站草图、标靶对应测站信息及标靶控制点数据。基于“Cyclone REGISTER 360”软件进行点云拼接、配准并导出质量报告;基于“Cyclone”软件导出楼栋的las数据;在“RiSCAN_PRO”软件中提取每栋楼的验测点、条件点,平面不大于5 cm限差即可保证扫描数据满足精度要求。基于“LidarFeature”软件进行首层外轮廓提取,如存在底层裙楼和上层塔楼、塔楼错层等情况,错层处的结构分割线也进行提取。

2.2.3关键技术研究

RTC360扫描仪Z大的优势为自动整平技术和视觉追踪技术(visual identity system,VIS),通过内置相机和惯性传感器(inertial measurement unit,IMU)实时计算连续相邻测站的相对位置,实现外业阶段无须公共特征点的自动拼接功能,即提高了外业数据采集效率,又减少了内业点云数据预处理的工作量。针对不连续测站,内业点云数据拼接时“Cyclone REGISTER 360”软件具有目视对准功能,无须寻找同名点拼接,提高内业效率。“LidarFeature”点云数据采集矢量化软件具备实时的点云切片功能,利于外轮廓线的提取。三维激光扫描仪的外业数据采集优势和内业数据件处理软优势相结合,在保证工程项目精度要求的前提下,极大地提高工作效率。

3应用实例

3.1项目概况

试验区位于某新区安置房项目,总规划用地面积约12.7 km2,如图2所示。以其中某一街区为例,由于是刚建好的小区,测区内主要以建筑物、内部道路以及部分低矮绿化植被为主,场区不存在高大遮挡物,测量条件较好,比较适合三维激光扫描仪进行测量。

图2项目场区

3.2外业数据采集

3.2.1控制测量

为满足该街区安置房竣工验收测量精度要求,根据“多测合一”技术规程要求,向新区管理委员会申请了4个C级全球导航卫星系统(global

navigation satellite system,GNSS)平面控制点和三等水准点。以其中一个控制点为基准,采用GNSS-RTK在场区布设3个二级控制点;以其中两个三等水准点为基准,采用附和水准路线对场区控制点进行高程联测。

该街区共有11栋住宅楼,共计布设标靶6个,在二级导线点上架设全站仪,对标靶进行测量。

3.2.2三维激光点云数据采集

本街区三维激光点云数据采集采用徕卡RTC360三维激光扫描仪,其有效射程约130 m,Z高点位精度达1.9 mm,内置相机单镜头达3 600万像素,20 m射程内点云间距约2 cm。

RTC360三维激光扫描仪外业具备基于视觉追踪技术的自动拼接功能,为保证拼接精度,针对该街区三维激光扫描采用似“8字形”扫描路线,如图3所示。既能对关注对象的扫描覆盖率达到100%,又能保证每个测段的扫描闭合到起点,优化该测段拼接的整体平差,提高拼接准确率。

图3扫描路线

根据项目关注的对象,不同场景,设置相应的扫描参数。点云密度共有高、中和低3个等级,其中点云密度越高有效测程随之降低,在扫描过程中,依据测站位置与扫描对象的距离、扫描对象的复杂程度等进行综合分析,选择Z有效的参数。本街区共计完成三维扫描111站,点云总体重叠度在50%左右。

3.3点云数据处理

点云预处理分为：标靶数据整理、点云数据预处理、点云拼接、点云配准、点云去噪、点云分割6个部分。

标靶数据整理是将全站仪观测的现场标靶数据按照点云处理软件要求的格式进行整理,并备注标靶对应的测站序号。

点云数据预处理是将外业采集的点云数据导入“Cyclone REGISTER 360”软件,对点云拼接参数进行设置,做一次粗拼接。

点云拼接是在点云预处理的基础上,针对不同扫描时段或不相邻测站的数据进行手动拼接,达到该区域整体点云拼接完成。

点云配准是将整理的标靶数据导入软件,在对应测站扫描的点云中刺该标靶中心位置,并按照标靶数据点号名进行同名标准,刺完所有标靶后进行控制数据应用,实现点云从扫描坐标系到地理坐标系的转换。

点云去噪是将点云中的异常点、与关注对象无关的点云进行删除处理。

点云分割是将该街区11栋住宅楼进行单体化分割,利于后期规划要素提取、建筑物外轮廓以及立面图绘制等。

3.4点云模型精度分析

为了验证三维激光点云模型精度,通过全站仪实测平面坐标与三维激光扫描测量坐标对比,求取该街区三维激光点云模型中误差,计算公式为

式中,Δ为观测值与真值之差;n为观测值个数。

该街区采用全站仪对该街区的11栋住宅楼的楼角都进行了测量如表1所示。共计测量点位23个,由计算公式可得，平面Z小误差为0.005 m,Z大误差0.033 m,模型平面精度中误差为±0.017 m,满足竣工验收测量的精度要求。

表1平面数据精度分析单位：m

3.5竣工测量要素内业处理

3.5.1验测点、条件点提取

房屋建筑“竣工验收测量”关注的重点之一就是实测验测点与四至距离,与规划许可证附图标注的数值进行对比,核验建设工程项目是否按照规划审批时的要求进行建设,依据“多测合一”技术规程要求,验测点和条件点测绘即可采用传统测量方式,也可采用三维激光扫描的点云模型进行测量。该街区建筑物的验测点和条件点均采用三维激光点云模型提取,首先提取将分割的点云模型导入“RiSCAN_PRO”点云处理软件,该软件具有基于点云直接提取坐标值,并以文本方式直接输出的功能。

3.5.2建筑物外轮廓绘制

建筑物外轮廓绘制包括建筑物Z大外轮廓和建筑基底线,其中建筑物Z大外轮廓为了核验建筑物是否超出建筑退界线,建筑基底线为了核验建筑密度是否超出规划要求。由于建筑物Z大外轮廓的外边线不仅仅存在于某一层,既有首层轮廓存在Z大外边线,也有屋顶的挑檐属于该楼的Z大外边线,因此使用一般绘图软件不易判读、不易绘制,本项目采用“LidarFeature”软件基于点云绘制外轮廓具有实时上下移动切片的功能,易于绘制建筑物外轮廓,如图4所示。

图4点云切片建筑物外轮廓线

3.5.3建筑物立面测绘

建筑物立面测绘是为了反映建筑物室内外地坪高程、层高、层数以及建筑高度。

基于分割出的单体建筑点云数据,制作出所需位置的立面光栅图像。为便于后续工作图像数据的区分,将图像文件根据立面方向、位置等信息进行命名。

将处理得到的所需位置立面光栅图像后,在CAD中将其旋转、摆平到XY平面。依据室外地坪基准线摆放到对应高程处,将该基准位置的Y值改为室外地坪的高程值,从而使得图面任意位置的Y值对应该位置的标高。绘制要素包括主体墙外轮廓线、分层结构线、正负零基准线、室外地坪基准线等。

4结束语

(1)徕卡RTC360三维激光扫描仪操作简单,具有外业相邻测站自动拼接功能,减少内业工作量,针对竣工验收测量条件较差的场景,三维激光扫描技术能极大地提高工作效率。

(2)本文实例应用的三维激光点云模型平面精度中误差达到±0.017 m。验证三维激光点云模型的绝D精度满足竣工测量精度规范要求。

(3)通过本文项目应用研究,对三维激光扫描技术在“多测合一”测绘项目中的应用研究具有指导意义。