基于三维激光扫描技术的竣工测量研究

王宗辉

（甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020）

关键字：竣工测量；三维激光扫描；数据处理；三维建模

随着城市的迅速扩张，城市建筑物的不断增加，建筑竣工测量既能够保障城市规划测绘数据库随时更新，又能确保城市规划和土地管理的合理性，竣工测量工作作为规划验收工作过程中的一项重要工作内容也越来越被重视，竣工测量指的是（包括地面工程建设和地下工程建设）检验各项工程施工的现状、做出记录，并根据规划审批的各项要求、施工规范等技术标准，为工程验收和评定工程质量提供依据[1]。

依据《城市建设工程竣工测量成果规范（CH/T6001-2014）》的相关要求，竣工测量的主要工作内容有高度测量、立面测量、建筑物面积计算以及地形图测绘等工作。传统竣工测量使用普通全站仪或免棱镜全站仪对建筑物的三维坐标进行测量，立面图测量过程中必须通过人工量算相关具体数据，使用高清相机拍摄建筑物外立面照片，然后将测量数据导入CAD绘图软件中，依照外业草图绘制建筑立面图[2]。

虽然传统测量方法能够完成竣工测量工作，但是由于现代建筑艺术的不断发展，各种造型别致、形态各异的建筑不断涌现，遇到这种异形建筑,传统测量方法不仅适投入人员多、工作量大，而且测量的难度也随之递增[3]。因此，如何利用现代测绘技术解决异形建筑的竣工测量问题尤为迫切，本文就三维激光扫描技术在建筑物竣工测量过程中的应用进行了研究。

1 三维激光扫描技术及其原理

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，它突破了传统的单点测量方法，能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。它通过高速激光扫描测量的方法，以被测对象的采样点（离散点）集合—称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据[4]。

三维激光扫描仪基本原理是由激光发射器发射激光脉冲信号，经建筑物表面反射至激光接收器，故（其中v为激光脉冲传播速度，t为发射器至接收器的时间差）；同时利用三维激光扫描仪获取水平角α和俯仰角β，推算坐标方位角和竖直角，进而计算目标点的坐标（X，Y，H）。计算方法为：

其工作原理和坐标计算原理见图1、图2。

图1 三维激光扫描仪工作原理

根据三维激光扫描技术的原理，结合天宝GX的工作模式，首先进行外业数据采集工作，主要通过控制测量及三维扫描数据采集等工作进行基础数据的获取，内业工作主要利用点云数据处理软件例如天宝配置的RealWorks Survey Advanced处理采集的数据，主要有影像匹配和数据降噪等工作。通过最终数据进行面积计算、立面绘制等工作完成竣工测量工作。具体流程如图3所示。

图2 三维激光扫描仪坐标计算原理

2 工程说明及作业流程

根据三维激光扫描技术的工作模式，对建筑物采集详细点云数据，以立体的三维建模软件为展现平台，构建建筑物的三维立体模型，进而提取相关竣工测量的数据需求，其工作流程如图3所示。

图3 三维激光扫描技术工作流程

3 外业作业

1）控制测量：根据技术需求及规范要求，为了保障测绘数据的一致性，在测绘区域布设与原有施工控制网一致的坐标系，同时检验施工控制网中的GPS点精度，经检查精度满足项目要求。

2）标志点测绘：为了保证观测匹配、检查精度,利用控制点测绘目标建筑物的相关标志点如屋角点、屋顶点及周边地形地物点等点位的三维坐标，并进行数据处理和整合工作。

3）激光扫描测量数据采集

本工程数据采集采用天宝GX三维激光扫描仪，其主要参数见表1。

表1 工程数据采集

4 内业数据处理

4.1 点云数据处理

点云拼接的主要任务是将多个测站的点云数据转化为统一坐标系，并对数据精度进行检查。根据前期的设站坐标，利用标靶将每个独立站的坐标进行旋转和平移，统一到同样一个坐标系中，此过程中可以利用图像进行检查。

为了防止在数据采集过程中丢失数据，一般在前期数据采集时采集点非常密集，所以在点云数据处理时需要进行分类滤波、抽稀等工作。点云滤波主要是对原始点云数据进行分类过滤，去除树木等非必要性数据影响；抽稀主要是将去除点云数据中的多余点，提取关键点以提升数据的使用效率和数据处理速度；建筑物的特征提取主要是提取建筑物的边界、提取标志性目标、提取建筑物立面范围线以及细节特征提取等内容。

4.2 三维建模

对处理后的点云数据进行建模，利用拍摄图片进行纹理映射，对于规则表面和特征丰富的多维曲面区别对待，提高建模精度和工作效率[5]。以前期建筑物特征提取的数据基础进行建筑物粗模。根据粗模利用Smart 3D Capture软件利用人工干预建立高精度三维模型。为了更直观的反映三维模型，外业过程中采集的数字影像可以进行匹配，以达到图像的最佳有效性。

5 竣工验收

竣工验收的过程主要有基础数据检查、标高检查、点位精度分析、建筑面积检查、控高检查、立面图检查等工作。基础数据检查是利用基础点云数据形成的竣工图纸与原有规划数据进行叠加精度检查，确认总平面图的数据正确性和建筑的完整性；标高分析通过检查建筑物模型的标高，确认是否满足±0要求施工精度要求；点位精度分析主要是检查建筑物是否在放样过程中存在误差，导致建筑物发生偏移；建筑面积检查主要是检查总建筑面积是否与原有规划许可证和设计一致，检查各栋、各层建筑是否有差异；控高检查主要检查施工结束后是否与原有设计高度存在差异，是否有超高；立面图检查主要检查建筑物立面是否与原有设计一致。

6 结语

三维激光扫描技术在竣工测量中的应用，与传统的测量手段相比,优点一是三维激光扫描技术的测量速度更快，点云数据更能反映建筑物的实际数据；二是三维激光扫描采集的数据在进行建筑面积检查、控高检查、立面图检查过程中较为方便。但由于数据采集手段的特殊性，在处理相关特殊建筑物（例如玻璃幕墙）时，点云数据获取较为困难，仍然需要进行更严格的验证和研究。