地下建筑物的三维测绘技术应用分析

2021-07-27张好军

工程与建设 2021年2期

张好军

(河南省第二建设集团有限公司,河南郑州 451464)

0 引言

所谓地下建筑物，指的是在天然溶洞中或通过人工开挖后建成的各类建筑物，如隧道、地铁、车库以及人防工程等。地下建筑物通常可分为三大部分，外围护桩、桩基以及主体。相较于其他类型的实体，地下建筑物的形状相对规则，功能比较丰富。从三维表达角度分析地下建筑物时，需要对它的外部形状以及内部空间结构做综合的分析与考虑[1]。

地下建筑物测量的技术、要点、步骤等与地上建筑物工程测量存在很大差别。在测量地下建筑物时，不仅需测量工程主体结构，还需准确测量工程施工范围内的地表附属设施，从而使地上、地下信息更好地统一起来。并且在测量地下建筑物时，需同时测量建筑工程所在水平方向上位置信息以及建筑工程高度信息，需采集建筑所有特征点信息，综合各项信息准确得出建筑工程立体形状以及垂直方向上的具体位置。下面就地下建筑工程三维测量技术与应用做具体分析。

1 利用全站仪进行地下建筑工程三维测量

利用全站仪测量地下建筑物，获取地下建筑物的三维数据，在当前应用得比较广泛。应用全站仪测量时，需按照先控制后碎部的原则顺序进行，从用全站仪做控制到用全站仪测量空间特征点的方法进行。在应用全站仪测量地下建筑物三维坐标时，测量地物底部特征点的坐标比较容易，但测量地物顶部特征点三维坐标则难度相对较大。一般情况下，在测量顶部特征点平面坐标与高程时可采用以下三种方式：

(1) 可在顶部特征点上直接放置棱镜进行测量，这种方法对于特征点选择准确、直观，但是棱镜的放置难度比较大。

(2) 可先测量出地下建筑物相应的底部特征点坐标与高程，然后测量出特征点对应高度，将数据整合后得到所需信息，这种方法比较麻烦，效率低。

(3) 运用全站仪免棱镜测量模式可以直接获得建筑物各特征点的三维坐标，这种方法在选取特征点时，容易出错，需要认真细心、重复校核。

由于地下建筑物所处的位置比较特殊复杂，因此在测量时必须做好规划以及过程控制，选取合理的测量方法，以保证最终能得到真实、精准、全面且详细的地下建筑信息。下面主要以地下建筑物地下高程测量为例详细叙述如何运用全站仪测得地下建筑物特征信息。

在测量时，为了使地面、地下建立统一的高程系统，先通过竖井将地面高程传递到地下巷道中，也就是导入高程。在进行竖井类型的高程导入测量时，应先在地面井口附近设引测一个已知高程点，已知高程为H，然后在井底下相应位置设一个高程待求点，如图1所示。设点完毕后，将一把长钢尺的尺段竖直放于竖井内，在地面与井下同时安置水准仪，通过水准仪进行测量，读取长钢尺上的读数a和b。得到井上、井下两点之间的视线距离b-a，随后在已知高程点和高程待求点分别放置塔尺测得视线高c和d。

图1

那么，就可通过公式Hd=H-(b-a-c+d)计算,得到井下高程待求点的高程Hd。

在这一测量过程中，也可以采用长钢丝法以及光电测距仪法等，这两种方法都比较适用[2]。

2 利用三维激光扫描仪进行地下建筑工程三维测量

三维激光扫描是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，能完整、精确、快速地获得原始测量数据并能够重建扫描实物。在应用三维激光扫描技术时，主要是进行基于面的数据采集。在测量过程中，先通过激光扫描获得点云数据，然后再对数据进行处理就得到最终信息。

相较于传统的测量技术，三维激光扫描技术具有以下特点。首先，测量方式为非接触式测量。在测量时不需要安放反射棱镜就能直接全方位扫描目标体并获得目标体表面云点的三维坐标信息。因为能做到非接触式测量，所以三维激光扫描技术能完成一些高难度、高风险的测量任务。其次，三维激光扫描技术的扩展性强、数字化程度高。运用三维激光扫描技术测量地下建筑物时，获得的数据为全数字信号，这就为数据的处理、分析、输出等提供了便利。再次，相较于全站仪，三维激光扫描技术的分辨率、数据采样率更高，能够更准确地提供建筑物特征点数据。最后，数据采集速度快，工作效率高。研究与实践证明，采用相位激光法测量的三维激光扫描仪能达到数十万点/秒，采样速率极高[3]。

三维激光扫描仪主要由仪器箱、电池、电源电缆、三角基座、扫描主机、通信电缆、扫描头以及处理软件组成。利用扫描主机、三角基座构成一个底面固定式三维激光扫描系统，利用该系统对目标物进行扫描测量，获取目标物的各项三维信息。

在测量时，先完成场地踏勘，根据现有情况估计扫描站应设的站数与位置，尽量保证扫描区域有公共部分，尽可能减少其他物体的遮挡。完成以上工作后就开始布设控制网。在布网时要进行测量与平差计算，通过测量计算获得高精度的靶标点位。测量过程中，对拼接标靶与控制标靶需要采用高分辨率进行扫描，将靶标中心点准确提取出来。测量过程中采用全站仪测量平面靶标得到坐标信息。为了避免在测量过程中出现靶标丢失、挪动等情况，工作人员需在完成一站扫描工作后就立即开展靶标测量，以保证最终测量结果的精准性。测量时运用地面三维激光扫描仪进行扫描作业，根据所需目标点的点云密集程度设置相应的扫描分辨率[4]。

在运用三维激光扫描仪采集到各原始点云数据后，需要对数据进行处理才能提高其精确度，并将其应用到具体的工程中。数据处理分两个阶段进行：第一阶段是数据预处理，通过预处理将表面噪声减去并将点云的数据量进行缩减，有效提高数据精度；第二阶段是进行多视点云拼接，在这一阶段主要是将2个或2个以上基于扫描仪坐标系中的三维点云数据统一到统一坐标系下，得到比较完整的数据，然后再进行旋转对齐、粗差剔除以及多视拼接处理，进一步提高数据精度。

完成以上操作后便开始提取特征点，通过提取特征点来完成坐标转换。地物地貌特征点的信息是通过手工在配准好的点云数据中提取的，在实际的测量作业中可利用三维激光扫描的后处理软件来提取。

3 竣工图纸测绘

在一些新建工程、扩改建工程中，经常需要开展竣工图纸测量，通过测量掌握建筑内部结构、场地地形地物、建筑物平面与高程位置关系等各项信息，最终形成详细的工业竣工现状图与有关数据资料。竣工图图面内容比较复杂，涉及多个方面。如竣工图中首先要有建筑物、工业厂房的坐标，各管线的高程、位置，房屋结构面积、层数等各项信息；其次要有地埋管线的各项信息，包括管线名称、用途、材质、规格、尺寸、走向，以及井盖编号、直径、井底大小、沟槽宽度、深度与坡度等，以便为管线的运维管理提供全面、具体的参考信息；还要有架空管线、交通线路、特种构筑物的各项信息。

在运用竣工图测绘技术测量地下建筑物时，首先要利用竣工图获取所需特征点的坐标、高程并绘制对应的草图，将其编辑成相应格式的数据文件，然后将文件通过制图软件进行处理，通过处理得到地下建筑物平面图，之后再利用CAD等进行三维建模，实现三维表达，最终得到地下建筑物三维数字地形图。