基于地面LiDAR技术的异形建筑竣工测量方法研究

吕 磊，邢汉发，王叙泉

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

基于地面LiDAR技术的异形建筑竣工测量方法研究

吕 磊，邢汉发，王叙泉

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

在分析地面LiDAR技术特点基础上，以广州市会展中心某异形建筑为工程实例，提出一种基于地面LiDAR技术的城市异形建筑竣工测量方法。首先对工程概况及其作业流程进行阐述，继而分别对地面三维竣工测量数据采集和处理过程中的关键技术进行详细介绍，最后对工程结果进行分析。研究和分析结果表明，地面LiDAR技术在结构复杂的异形建筑物测量中具有较好的应用前景。

异形建筑；竣工测量；地面LiDAR技术；三维点云；立面图绘制

随着我国国民经济的持续、快速增长，我国建筑业也呈现出日新月异、飞速发展的态势。异型建筑因其外观独特、跨度宽、空间大等特点而越来越多地在城市中涌现，特别是音乐厅、博物馆、展览馆等公共建筑大都采用了异型建筑的构造形式[1-3]。

地面LiDAR技术又称“实景复制技术”，是一种新型全自动高精度立体扫描技术，可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，可大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据[4-5]。与传统测量方法相比，地面LiDAR技术采集数据不需要接触目标，能快速、准确地获取目标体数据，具有密度高、精度高等特点，适合大面积或者表面复杂的物体测量及其物体局部细节测量，计算目标表面、体积、断面、截面、等值线等，为测绘人员突破传统测量技术提供了一种全新的数据获取手段[6]。

目前，异形建筑在美化城市景观、彰显城市个性化的同时，也给测绘工作者提出了巨大挑战，如何对各式各样异形建筑物进行快速竣工验收是一个急需解决的问题[7-8]。随着地面LiDAR技术在各个领域的广泛应用，将其引入到异形建筑竣工测量中是一条可行途径[9-11]。目前，地面激光扫描技术在城市建筑竣工测量中的应用实例较少，本文设计了三维竣工测量技术方案，探索地面激光扫描仪测量技术在竣工测量领域应用的可行性。

1 工程概况与作业流程

1.1 工程概况

广州市南丰国际会展中心(见图1)坐落于广州市海珠区琶洲岛，包括南丰汇环球展贸中心和南丰国际会展中心共两幢大楼，集商业写字楼、五星级酒店等于一体的现代商务贸易中心，验收总建筑面积为28.3万m2。

会展中心外型独特时尚，层层交错横纵；塔楼设计又宛如随意凌乱叠放在一起的方块，每个方块即每一层都是错乱而有序的叠搭；裙楼设计很具有倾斜线条美，或是向外倾斜，或是向内倾斜。由于其几何式立面结构，采用全站仪设站方式难以准确测量出裙楼倾斜面各楼层的平面位置与交错重叠的塔楼各楼层平面位置，以及在裙楼不同倾斜角之间和塔楼各“方块”之间进深不一的众多凹角，这给传统规划验收测量带来了挑战。

图1 南丰国际会展中心建筑图

1.2 作业流程

鉴于项目中异形建筑物的外形特点，项目组应用三维激光扫描技术对其进行竣工验收测量，其作业流程如图2所示，主要内容包括：控制测量、外业扫描测量、内业数据处理、竣工图核对、三维建模、建筑面积计算、平立面图绘制、竣工地形图绘制等。

图2 基于三维激光扫描技术的竣工测量流程

2 地面三维竣工测量数据采集

2.1 控制测量

为满足建筑工程规划验收测量精度的要求，本工程以《卫星定位城市测量技术规范》为依据，布设一级静态GPS控制网，共测设静态控制点4个，范围涵盖两幢大楼，并联测四等水准8 km(见图3)。一级控制网起算点选用工程附近广州市三等以上平面控制点，为提升整网精度，起算点范围涵盖4个一级控制点，高程控制以附近二等基岩水准控制点作为起算点。采用一级GPS控制网和四等水准不仅可以保证规划验收控制测量的精度，还能将验收测量成果接入广州市平面坐标系统和高程系统。

图3 一级GPS控制网

2.2 激光扫描测量数据采集

本工程采用RIEGL VZ-400三维激光扫描仪，其反射距离为500 m。依据会展中心建筑物异形的特点，本次三维激光扫描主要采用以下两种方式：①单站绝对定向模式：三维激光扫描测站与靶标(类似全站仪的棱镜)布设在图根点上，并设置扫描相应参数，执行扫描。②无靶标相对定向：采用无靶标方式，直接对目标建筑物进行扫描。

扫描站点的坐标量测利用“广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统(GZCORS)”和广州市似大地水准面，对三维激光扫描仪中内置的GPS定位功能进行开发，使得三维激光扫描仪在扫描测量建筑物的同时测量扫描站的RTK坐标，从而提高外业作业速度和内业配准效率。

工程实施过程中，对两幢楼的扫描采用精扫模式。南丰汇环球展贸中心共扫描27站，其中10站为在裙楼上进行扫描，共采用标靶9个，贴于建筑物幕墙或者特征比较明显的电线杆等物体上。南丰国际会展中心共扫描30站，其中9站为在裙楼上进行扫描，共采用标靶10个，同时用全站仪对标靶和测站点坐标进行测定。

3 地面三维竣工测量数据处理

3.1 扫描测量数据预处理

对建筑物扫描后，需要进行点云数据的预处理，包括点云去噪与修补和点云配准等工作。

3.1.1 点云去噪与修补

获取的原始点云数据，会由于灌木丛遮挡、自身遮挡、玻璃透射等原因造成大量空洞和噪音，致使原始点云质量较差，需要进行去噪、补洞等处理。

首先在地面三维激光扫描仪的配套软件Riscan Pro中去除偏差较大的噪音后，然后在Geomagic Studio中进一步去噪与交互式操作补洞。

3.1.2 点云数据配准

根据外业数据采集的两种方式，数据配准工作同样采用与之相对应的两种模式。

1)后视定向配准。对于起始测站采用靶标进行配准，输入测站坐标和靶标坐标，采用RieGL Riscan 中后视定向配准模块进行配准，从而确定整个点云数据的全局坐标。

2)站站间配准。首先要进行粗配，可以采用两种方法：①选择同名特征点的方法进行配准，该方法适用于同名点特征明显的，至少要选择4 个同名点，同名点应尽量选择房屋角、线杆顶等尖锐地物点；②根据人工交互式移动测站，使未配准站移动到已配准站的对应位置，匹配精度以能够执行自动精确匹配为准。

粗配结束，采用软件自动精确精配，提高配准精度，配准误差在0.01 m 以内，方可进行下一站配准。图4为南丰国际会展中心各测站数据配准之后的建筑物点云数据图。

图4 南丰国际会展中心各站数据配准之后的建筑物点云数据图

3.2 建筑物面积测算

1)采用切片法提取特征线。设计合适的切片厚度对配准之后的三维点云数据的每一层进行X-Y水平面切面处理，通过提取特征点得到建筑物每一楼层特征线，从而计算该楼层建筑面积。

2)建筑面积计算。采用切片法提取得到的每一楼层特征线，并通过输出绘图交换文件(dxf格式文件)，将其导入CAD软件，在数据工程编辑状态下绘制建筑物线划图，从而计算建筑物面积。

3.3 立面图绘制

根据建筑物竣工验收要求，核对建筑物竣工立面图是一项重要工作，本项目根据扫描点云数据绘制的建筑物竣工立面图与建设单位提供的竣工建筑物立面图进行对比，可清晰了解其立面图的实际尺寸与现场符合情况等。本工程的立面图绘制流程如图5所示，采用项目组自主研发软件Laserscanner，对点云数据三维模型进行主立面投影，并采用三维量测模式进行量测，输出绘图交换dxf文件，将其导入CAD软件中，在规划管理工程模板下，并根据地面LiDAR部件高分辨率数码相机所获得的高清晰图片，进行立面线划图绘制。

图5 立面图绘制流程

图6 南丰国际会展中心塔楼点云图

采用三维激光扫描仪进行建筑物竣工测量，其中最终产品之一是建立目标物的三维模型(见图6)，并可在模型上提取断面图，进行量测、面积计算等。根据点云经过建模处理之后绘制的塔楼竣工立面图如图7所示。

图7 根据点云绘制的竣工立面图

4 结果分析

项目采用地面三维激光扫描仪结合全站仪观测，以南丰国际会展中心第9层为例，对该点云数据进行再次滤波去噪处理，并将其连接成线(如图8所示)，并与全站仪观测数对比，各角点坐标比较如表1所示。

图8 南丰国际会展中心第9层点云平面图

表1 全站仪与三维激光扫描测量点位坐标对比 m

由于两幢楼塔楼各楼层中心均有中空，采用全站仪观测计算南丰国际会展中心第9层外围面积为3 134.0 m2(未扣除中空面积)，三维激光扫描仪计算面积为3 133.1 m2，面积相差甚小。根据前面建筑物面积测算方法计算各层面积如表2所示。

表2 全站仪与三维激光扫描测量各楼层面积对比 m2

5 结束语

城市化进程中的异形建筑增多、规划管理复杂化，传统二维竣工测量已不能满足规划管理的要求。地面三维激光扫描仪以其自身的技术特点，能够获取一些全站仪难以采集到的建筑物角点，本文以广州市会展中心某异形建筑为工程实例，来验证三维激光扫描技术在城市异形建筑竣工测量中的可行性。首先对三维竣工测量作业流程进行了总体阐述，继而介绍了三维竣工测量数据采集中的控制测量和激光扫描测量数据采集流程与技术，最后对三维竣工测量数据处理中的扫描测量数据预处理、建筑物面积测算和立面图绘制3个关键过程进行分析研究。三维竣工测量数据与全站仪观测数据进行比对分析，点位和面积结果相差甚少，能够满足建筑竣工测量需求。综上述，笔者认为三维激光扫描技术在结构复杂的异形建筑物验收测量中具有较好的应用价值，应该在特定的规划验收中推广使用。

[1]王家法.CAD 技术平台在异形建筑施工测量中的应用[J].施工技术,2012(18):69-71.

[2]邓雪彬.异形结构建筑物测量放线的一种方法[J].科技信息,2011(21): 309-311.

[3]冀庭轶,姬敏丽.AutoCAD 结合全站仪实现异形建筑的定位放线[J].山西建筑,2008,34(12): 351-353.

[4]赵威成.三维激光扫描系统点云数据向AutoCAD 数据格式的转换[J].测绘工程,2010,19(1): 25-27.

[5]羌云娟,吴侃,秦臻.基于三维 TIN 的非地面点云剔除方法研究[J].测绘工程,2011,20(2): 43-45.

[6]王星杰.三维激光扫描仪在道路竣工测量中的应用[J].北京测绘,2012(4): 21-25.

[7]周心力.高层建筑竣工测量的组织与施测[J].城市勘测,2007( 3):93-94.

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[9]卢丹丹,吴熙,王厚之,等.三维竣工测量的研究与应用[J].城市勘测,2010 (6): 47-50.

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[11]刘春,杨伟.三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模[J].工程勘察,2006( 4): 49-53.

[责任编辑：张德福]

ResearchofgroundLiDARtechnologyinspecial-shapedbuildingsfinalsurveying

LÜ Lei, XING Han-fa, WANG Xu-quan

(Guangzhou Urban Planing & Design Institute, Guangzhou 510060, China)

Based on the analysis of ground LiDAR technology in Guangzhou Exhibition Center, a special building as an example, presents a complete measurement method of city building based on ground LiDAR techniques. The general engineering situation and operation process are discussed, and then the key technology of 3D surveying data acquisition and process are introduced in details, finally the engineering results are analyzed. The results show that the ground LiDAR technology has a good application prospect in the measurement of special-shaped buildings wrth complex structure.

special-shaped buildings; final surveying; ground LiDAR; 3D point clouds; elevation drawing

2013-08-03

广州市科技计划项目(2012Y2-00035；2013Y2-00031)

吕 磊(1982-)，男，工程师.

P234

：A

：1006-7949(2014)01-0073-05