三维激光扫描技术在异形建筑竣工测绘中的应用

许飞

(德州市自然资源局，山东 德州 253000)

1 引言

近年来，我国出现了大量异形建筑，异形建筑具有外观独特、空间大、跨度宽等特点，传统测绘手段已不能满足其竣工测绘的需求。三维激光扫描技术是于上世纪90 年代中期发展成熟的一项高新技术，无需接触测量目标就可快速、全自动、高精度获取物体表面的密集点云数据，后期结合相关软件不仅能快速复建物体的三维模型，还能进一步提取物体的二维平面信息，因此又被称作“实景复制技术”[1]。当前，随着三维激光扫描技术软硬件价格的不断下探，该技术已被越来越多地应用于各种工程测量中，本文就三维激光扫描技术在异形建筑竣工测绘中的应用进行探讨。

2 三维激光扫描技术简介

2.1 技术原理

三维激光扫描技术原理和免棱镜全站仪系统类似，即通过激光发射器周期地驱动二极管脉冲信号到达被测物体，回波信号经漫反射返回被接收器接收，计时器同步记录发射时刻和返回时刻，控制编码器同步测量激光脉冲水平角和垂直角，仪器自带的微电脑计算扫描点到仪器中心的斜距，进而按极坐标法即可求出被测物体表面扫描点的三维坐标。不同的是，免棱镜全站仪是单点作业，而三维激光扫描仪可实现对目标全方位立体扫描，将扫描获取的密集点称作点云[2]。

三维激光扫描技术通常采用的都是内部坐标系统，采集到的点云数据以扫描坐标系为基准，扫描坐标系的定义为：以发射激光束处为该坐标系原点，X 轴为扫描仪水平转动轴的零方向，Z 轴为扫描仪水平时的天顶方向（理论竖直轴），Y 轴与X 轴、Z 轴成右手坐标关系，三维激光扫描技术测量原理如图1所示。

图1 三维激光扫描技术测量原理

图1 中，S 为坐标原点到被测目标点的距离，α 为扫描仪激光脉冲水平角，θ 为扫描仪激光脉冲竖直角，那么就可以用公式（1）来表示目标点在扫描坐标系中的x、y、z 三维坐标：

2.2 误差分析

三维激光扫描系统作业时，影响扫描精度的误差源于多方面，主要包括距离和角度误差、坐标拼接误差两部分，测量误差传播的基本规律同样适用该系统。（1）距离和角度误差

根据三维激光扫描技术测量原理公式（1）可知，激光点的坐标由3 个变量构成，即距离S、扫描仪激光脉冲水平角α 和竖直角θ，根据误差传播定律，扫描到的激光点的误差也是由这3 个变量引起的。

（2）点云拼接误差

当测量一个目标需要设立N 个测站时,必须要把N 个测站扫描到的面状“点云”拼接起来，即通过标靶点的坐标与点云坐标进行匹配来实现多个面状“点云”的拼接，在此过程中会产生拼接误差，拼接误差由全站仪与三维激光扫描仪共同产生，若点云坐标向量与坐标轴的交角分别为A、B、C，平移参数分别为Δx、Δy、Δz，则有公式（2）的拼接误差模型Ω:

3 应用实例

3.1 项目概况

某国际会展中心集五星级酒店、商业写字楼于一体，外形独特时尚，塔楼设计采用几何式立面结构，宛如随意凌乱叠放的方块，层层纵横交错，属于典型的异形建筑。考虑到采用传统方法进行竣工测绘非常困难，项目组应用三维激光扫描技术对其进行竣工验收测量。

3.2 外业数据采集

（1）控制测量

依据扫描目的和精度要求，结合异形建筑周边环境，项目组决定采用闭合导线多站扫描的方案，扫描站点分布在建筑物周边，各站点两两通视并保证扫描仪能扫描到建筑物的所有表面，站点坐标由SDCORS 网络RTK 测量得出。扫描控制网布设如图2 所示。

图2 扫描控制网布设

（2）点云数据采集

点云数据采集采用Leica ScanStation C10 扫描仪，采集流程如图3 所示。

图3 点云数据采集流程

3.3 点云数据处理

将采集到的点云数据导入和仪器配套的Cyclone软件中，点云数据处理主要有点云拼接、点云去噪、点云统一三个步骤。

（1）点云拼接

为保证建筑物表面点云配准精度，采用序列拼接方法，即从第一站开始，先利用前站球形标靶进行初配准，再利用相互重叠的点云进行ICP 配准。按照此方法将8 站所有点云数据拼接完成，经检测首尾重叠处的点云相差小于6mm，满足相关规范的精度要求。

（2）点云去噪

利用Cyclone 软件手动去除点云中含有粗差的数据和无效的形体数据，这一过程属于去噪处理，在Cyclone 软件中打开拼接完成后的8 站点云总图，通过旋转、放大操作将点云调整到理想位置，根据需要在工具栏中选择合适的工具去除噪声点。

（3）点云统一

相邻两站的点云数据在去噪以后存在大量冗余，造成数据量增大、采样间隔不一致的状况，因此需要对点云数据进行重采样，具体过程就是在保证质量的前提下，再次利用Cyclone 软件对点云进行统一化处理，同时将多站点云进行压缩并合并成一个整体。

3.4 三维建模

为准确建立建筑物的三维实体模型，反映该建筑的现状，借助Geomagic Studio 软件进行三维建模，主要构建过程分为点阶段、多边形阶段和曲面阶段，该国际会展中心的外观图和局部三维模型如图4所示。

图4 异形建筑外观和局部三维模型

（1）点阶段

点阶段是对扫描的海量点云数据进行精细化处理，具体包括：点云坐标摆正、去除噪声点、点云的重采样和封装、点云的导入和着色等，此阶段主要是为后续建模打好基础。

（2）多边形阶段

此阶段包括多边形的简化、多边形表面的光滑化处理、多边形孔洞和缺口的修补等，由于该阶段会关系到模型曲面生成的质量，因此处理工作必须认真细致，最终得到形状完整、光滑的多边形模型。

（3）曲面阶段

曲面阶段是为了减少模型空间三角面片之间的棱角，使得多边形模型表面更加光滑逼真。该阶段主要利用曲面片拟合的方法，经混合、过渡、连接三个过程创建成曲面模型来实现。

3.5 精度验证

为验证本次三维激光扫描成果的质量，在该异形建筑物上选取10 个特征点，分别用徕卡TCR402 免棱镜全站仪测量出所有特征点坐标，将其结果与在三维模型中量取的坐标值进行比较，统计结果如表1 所示。

表1 异形建筑三维模型精度统计表（单位：m）

从表1 统计数据看出，10 个特征点的平面位置最大误差为0.047m，高程最大误差为0.037m，满足《城市建设工程竣工测量成果规范》（CH/T 6001-2014）关于建筑物检测点点位中误差不大于50mm、高程中误差不大于40mm 的精度要求。

3.6 竣工测量专题图绘制

根据建筑物竣工验收要求，绘制建筑物竣工测量专题图是一项重要工作，项目组利用Cyclone 软件的创建参考面功能截取建筑物截面和立面点云数据，再利用CAD 软件即可轻松实现竣工专题图的绘制。将绘制的竣工图与设计图进行对比分析，就可以准确地对竣工建筑物进行验收。

4 结束语

利用三维激光扫描技术成功完成了某异形建筑的竣工测绘工作，该种作业方式具有高效快捷等特点，经验证，其测量精度能够满足相关规范的要求，该技术应用于复杂、不规则的异形建筑竣工测绘中具有无可比拟的优势。应用发现：利用三维激光扫描技术难以获取异形建筑物顶部的数据，而且其遇到扫描对象为玻璃幕墙等反射率较低的建筑材料时，点云数据的质量不是非常理想[3]，相信随着仪器的不断升级以及相关软件功能的不断完善，以上问题都会得到解决，三维激光扫描技术在测绘领域具有广阔的应用前景。