三维激光扫描在建筑规划竣工测绘中的应用研究

摘要：本文从三维激光扫描技术出发，分析了三维激光扫描关键技术，针对三维激光扫描在建筑规划竣工测绘中的应用进行详细研究。

关键词：三维激光扫描；建筑规划竣工测绘

中图分类号：P2 文献标识码： A

引言

三维激光扫描技术具有高效率、高精度、非接触主动测量等独特优势，有效避免了传统作业方式外业劳动强度大、时间长、重复测量、工作效率低等弊端。目前三维激光扫描技术通过高速激光测距，瞬时测得空间三维坐标值，获取空间点云数据，更真实地还原被测对象的原形原貌，为建筑的测绘工作提供了新途径。

一、三维激光扫描技术的概述

三维激光扫描仪通过发射激光束到旋转式镜头中心，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪。通过测量激光的位移数据反映出激光与物体之间的距离，用编码器测量镜头旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度，以获得每一个点的高精度三维坐标值，如图 1 所示。用三维激光扫描仪扫描目标体，可获得大量的点数据。再使用高清数码相机拍摄和后期配准，每个点可以包含 X、Y、Z、R、G、B 等 6 位信息，因此能够快速获取目标详尽、高精度的三维立体模型和纹理数据。

图 1 三维激光扫描工作原理

三维激光扫描采用非接触测量方式，能够快速获取点密度和精度都非常高的建筑物点云数据。将所测量的对象按1：1实景复制三维成型，反映出所有的结构信息，由传统的手工测量转变为室内计算机对点云数据的高精度测量，并在此基础上制作出建筑准确、完整的现状图纸，其现状点云数据库可作为电子数据永久存档。三维激光扫描避免了人工接触对象造成的建筑损坏、测量精度不高、测绘人员人身安全等不利因素 ；且在解决一些疑难问题时具有极大优势，如对于历史建筑中的各类曲线形式、雕刻、文字、彩画及毁损、残缺等状况，在点云中可以方便地勾画出来，迅速测量所有需要的尺寸[1]。

二、三维激光扫描关键技术的分析

1、仪器及软件

项目组使用的激光扫描仪为高精度激光扫描仪RIEGL VZ-400。 激光扫描仪的扫描距离一般为30m-160m，扫描范围为100°×360°（垂直×水平）。

点云处理软件为武汉大学测绘学院与宁波市测绘设计研究院联合研发的海量级城市三维激光点云信息综合处理平台VR_City Scene。 该软件采用基于内容的点云自适应简化算法，建立了点云多分辨率数据结构和基于外存的点云存取机制，并结合 GPU 硬件加速技术实现海量点云的实时渲染和高效的索引机构，设计开发了点云管理和搜索引擎；解决了海量点云的自适应抽稀、高精度自动配准、三维精细建模等关键难题，建立基于点云模型的测图要素智能化提取和三维空间量测，并实现了与我国常用测图软件的无缝集成。

2、作业流程设计

根据三维激光扫描技术的特点和宁波市建筑规划竣工测量的要求，制定作业流程如图2所示：

图2 作业流程

3、三维激光扫描方案

3.1 坐标系扫描法。 扫描仪与靶标均架设在已知控制点上，内业利用已知数据进行点云绝对定位定向。

3.2 碎部控制扫描法。 扫描仪无须架设在已知控制点上，外业通过常规测量方法获取点云中一定数量的明显特征点三维坐标，内业利用各站之间同名碎部控制点进行配准和定向。

3.3 靶标配准法。 扫描仪无须架设在已知控制点上，外业通过相邻两站之间设置的4 个或以上靶标确定相邻两站之间相对位置关系，同时通过常规测量方法获取少量碎部控制点，内业通过同名靶标球进行相邻站点云的配准，最后通过碎部控制点完成整体点云的绝对定向。

根据测区内卫星信号的强弱，测区附近已有控制点情况及测区范围大小，制定出外业作业时间最短、点云数据最全面及内业操作最简单的作业方案[2]。

4、扫描仪器配备及组装

三维激光扫描外业扫描仪器及设备包括：三维激光扫描仪、发电机、数码相机、笔记本电脑、靶标球及三角对中杆、三脚架、数据通信线和电线等。 为方便外业仪器的架设和转站，项目组采用自主设计和生产的推车进行组装和外业作业，外业推车如图3所示。

图 3 外业推车

5、数据处理及成果制作

5.1 初步点云数据处理

利用RIEGL VZ-400自带的商业软件RiscanPro对点云数据进行配准后，为满足二维成图的要求，需要对点云数据进行合并、抽稀处理。 合并、抽稀软件为武汉大学测绘学院与宁波市测绘设计研究院联合研发的Save MM SPC Data，如图4所示。

图4点云抽稀

5.2 二维成图方法

利用 VR_City Scene软件可以在点云数据上直接描绘出建筑和地形的轮廓线并实时或手工导入CAD软件中。 针对不同形状、特性的成图对象可以采用以下成图方法：

①点云顶视图上直接描绘，此方法适用于对于外轮廓规则的建筑，有取点和描线两种方法。

②切片绘制：此方法适用于对于建筑物层次复杂的建筑.对于建筑物层次比较复杂的建筑，无法直接在顶视图中判定建筑物各层次轮廓线，因此可利用切片的方法截取建筑特定层次获取该建筑特定层次的横截面，然后描绘出该层次的轮廓线。

③地形绘制方法。 对于点云过稀无法判断道路边线、摄像头和路灯无法判断的情况，可根据其高程特性选择狭窄的高程空间对其进行高程伪彩色渲染，从而使绘制对象更容易判读。

5.3 成果资料制作

根据所绘制二维测区地形图，结合建筑规划许可证附图及有关规划审批材料，制作竣工测量规划复核图、竣工测绘总平面图、1：500套红线地形图等。

三、三维激光扫描在建筑规划竣工测绘中的应用研究

1、项目概况

本次试验选择宁波市银润豪园项目作为生产试验对象。 该项目位于宁波市海曙区通途路以北、丽园北路以西。 总占地面积约62000m2 。

2、项目实施

本次项目采用坐标系扫描法进行现场点云数据获取。 测区共布置6个图根控制点，图根点及室内地坪高程利用采用图根水准方法施测。 利用VR_City Scene软件在所获取的点云数据中绘制测绘二维平面图，在此基础上结合建筑规划许可证附图及有关规划审批材料，制作竣工测量规划复核图、 竣工测绘总平面图、1：500套红线地形图等[3]。

3、成果精度检测

经浙江省测绘质量监督检验站检验后，本次试验精度统计如下表所示：

地物点平面误差分布状况统计表

高程误差分布状况统计表

以上检测数据说明，利用三维激光扫描技术技术完全可以运用于建筑竣工测量，精度符合浙江省宁波市有关建筑竣工测绘规定。 通过工作量统计发现，利用三维激光扫描技术比常规方法减少了35%的外业工作量，且降低了外业工作强度，实现了将部分外业工作转化为内业工作的目的。

4、误差分析

三维激光扫描所获取点云主要有以下3个精度影响因素：图根控制点精度、三维激光的入射角以及测量距离。 由于图根控制点的布设方法和精度与常规作业方法相同，故本文仅对三维激光的入射角以及测量距离对成果精度的影响作以下分析，如下表所示：

入射角对精度影响统计表

测量距离对精度影响统计表

以上研究分析表明，精度较差的点云主要分布于与三维激光扫描仪架站点角度较大且距离较远的区域，而与三维激光扫描仪架站点角度较小且距离较近的区域精度较高。 因此，为保证获取高精度点云，应在图根控制点选布时考虑测量对象与控制点的角度与距离因素。

结束语

综上所述，三维激光扫描技术的应用越来越广泛，已经由研究、实验阶段走向生产应用阶段，对三维激光扫描技术的运用需求也越来越高。车载三维激光扫描技术测量快捷，无需提前布置控制点，可更大幅降低外业作业时间和劳动强度，提高效率，对于三维激光扫描技术的运用和推广和尽快实现“办公室测绘”有着积极重要的意义。

参考文献：

[1]胡章杰，薛梅. 基于地面三维激光扫描的三维竣工规划核实技术研究[J]. 城市勘测，2013（01）：15-20.

[2]白成军，吴葱，张龙. 全系列三维激光扫描技术在文物及考古测绘中的应用[J]. 天津大学学报（社会科学版），2013（05）：436-439.

[3]陆洪波. 三维激光扫描仪检定的研究与实践[D].北京建筑大学，2013.