地面三维激光扫描技术在既有空间网架结构测绘中的应用*

刘 辉，赵荣欣，龚治国

(1.上海市建筑科学研究院有限公司上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032；2.奥来国信(北京)检测技术有限责任公司，北京 101302)

0 引言

在既有空间网架结构安全性检测评估中，结构竣工图纸及原设计图纸等资料的完备，是整个项目能够顺利开展的前提条件之一。当被检测结构图纸资料缺失时，需对整个网架结构进行测绘。由于网架结构属于空间结构，形状复杂多样，且整个结构往往用作屋面围护结构，净空较高，如果采用登高的方式进行传统手工测绘，作业安全性及效率无法保证。目前，常采用全站仪进行测绘[1-2]，通过在楼地面设站，对各球节点表面进行测量，得到相应坐标信息，进而完成整个网架测绘工作。全站仪测绘效率、安全性均较高，但无法直接测得球节点形心坐标。如果通过多次测量球节点表面坐标推算形心坐标，误差较大，效率较低。由于球节点、杆件直径难以测量，且作业方式为单点测量，使整个现场测绘效率较低。

三维激光扫描技术是以测量学科技术、图形图像处理技术和仪器光电子技术为基础的综合性测绘测量技术[3-4]，具有作业安全、效率高、精度高、非接触、速度快、数据量大等特点，其面测量的方式可大幅度提高现场测绘数据采集效率，已在矿山测量[5-6]、隧道工程测量[7-8]、古建筑保护[9-10]、建筑物外立面检测[11-12]中得到广泛应用，尤其适用于手工测绘受限、测绘规模大的情况。将三维激光扫描技术应用于空间网架结构测绘中，以提高测绘工作效率和安全性，并通过点云数据进行球节点、杆件拟合，以解决球节点形心坐标、杆件直径等难以获取的问题。

1 工程概况

某体育馆采用大空间设计，体育场馆部分为1层，屋面支承为大跨度空间网架结构(见图1)，办公部分为3层，楼屋面为现浇混凝土结构。体育馆东西向总长约41.4m，南北向总宽约40.4m。由于体育馆空间网架结构图纸缺失，需进行实地测绘。

图1 体育馆空间网架结构

2 空间网架结构测绘

2.1 外业数据采集

外业数据采集主要包括点云数据采集和纹理信息数据采集。点云数据作为内业绘图的依据，其完整性、准确性至关重要。纹理信息映射是将被扫描物体上的照片映射到点云上，使作色后的点云还原被扫描物体真实色彩。不同于历史建筑测绘，空间网架结构测绘对色彩、纹理细节的要求较低，现场获取纹理信息主要为了便于内业对各测站点云数据进行手动配准。当各测站点云数据利用计算机进行自动配准时，为提高现场作业效率，可省略现场纹理信息数据的采集。在点云数据现场采集过程中，关键技术指标是点云密度，工程实践表明，球节点及杆件表面点云密度对保证截面尺寸拟合效果至关重要。点云密度过大会影响后期数据处理效率，因此，应在保证点云密度满足实际工作需求的情况下，综合考虑扫描仪精度、被扫描杆件尺寸、作业有效范围等因素，合理选择扫描分辨率。

扫描设备采用徕卡C10型三维激光扫描仪，该仪器支持300m远距离扫描，视场角为360°×270°(水平×垂直)，扫描速度为50 000点/s，扫描分辨率优于20mm/100m，点位精度为6mm/50m，各项技术参数均满足本工程测绘需要。

对扫描工况进行设计，根据现场踏勘结果，查找实际空间网架结构中对应建筑平面图上①～⑥轴及Ⓒ～Ⓕ轴的范围，为较完整地采集整个空间网架表面坐标，在体育馆室内地面均匀布设8个测站，分别为②～⑤轴与，轴交点处，配准标靶采用4个直径为76.2mm蓝白平面标靶，高低错落地布设在①，⑥轴与Ⓒ，Ⓕ轴交点处，如图2所示。扫描仪在各测站进行全景扫描后，分别对4个配准标靶进行高精度扫描，由于各测站扫描数据未线性传递，可在最大程度上保证整体点云数据的配准精度。

图2 测站与配准标靶布设示意

采集现场数据，在测站1处进行预扫描，扫描分辨率预设为5mm/100m，扫描模式为全景扫描，预扫描结束后立即对点云数据进行检查，确定了本次扫描范围内的球节点及杆件上的点云密度，可满足确定空间网架结构轴网系统及球节点、杆件截面尺寸的要求。按照测站1的扫描参数，分别在另外7个测站处继续扫描，各测站均通过现场布设的4个标靶进行配准，最终形成同一坐标系下的完整点云数据。

2.2 内业点云数据预处理

除目标扫描物空间网架结构外，经配准融合后的点云数据中仍存在大量无关数据，需利用点云数据处理软件进行去噪和消冗。首先通过手动方式对目标扫描物以下的点云数据进行整体删除，保留空间网架结构及屋面板底面的点云数据。由于空间网架结构上、下弦平面均为弧面，且与屋面板联系紧密，难以采用手动及自动的方式进行去噪。通过对屋面板点云数据进行俯视观察(见图3)，可以发现屋面板点云数据叠加在空间网架结构点云上后，不影响空间网架结构球节点及杆件的清晰度，因此内业绘图工作可以正常进行。为提高工作效率，未对屋面板底及空间网架结构下弦杆上的灯具点云数据进行去噪。

图3 去噪后空间网架结构点云俯视图

2.3 空间网架结构平面图绘制

空间网架结构轴网系统采用直接临摹法确定，主要步骤如下：①在点云处理软件中将空间网架结构空间点云坐标沿长边方向自西向东设置为x轴正向，与原建筑平面设计图轴网系统x轴正向一致；②将经去噪、消冗、坐标转换后的点云数据正射投影至绘图软件中；③采用交互式绘图方式确定网架下弦轴网系统，在点云处理软件中，对网架下弦杆点云分布进行观察，找到绘图软件中经正射处理后的点云相应位置，利用绘图软件中的“直线”命令，在下弦杆中心位置临摹杆件并逐一进行标注，形成空间网架结构下弦杆分布平面草图；④依据法式测绘原则，对空间网架结构下弦杆分布平面草图标注尺寸进行规整，在点云处理软件中，通过观察空间网架结构与室内柱的位置关系，并参考原建筑设计图纸轴号确定空间网架结构轴号，绘制球节点及空间网架下弦杆分布平面图；⑤参考步骤③，④，绘制球节点及空间网架结构上弦杆分布平面图；⑥融合球节点及空间网架结构上、下弦杆分布平面图，连接上、下弦杆节点绘制腹杆，形成完整的空间网架结构分布平面图。

确定空间网架结构球节点及杆件截面尺寸的步骤如下：①通过点云处理软件，肉眼观察球节点及杆件点云尺寸，找出点云分布规律，将球节点及杆件按尺寸规格进行初步分类，初步分类结果标注在球节点及杆件分布平面草图中。②根据初步分类结果，采用点云数据拟合计算法，通过点云处理软件截取球节点及杆件点云进行拟合，形成封闭完整的杆件模型，读取模型参数，从而得到球节点及杆件截面尺寸，如图4所示。③查漏补缺，并根据实际拟合结果修正球节点及杆件规格尺寸，完成空间网架结构上、下弦杆及腹杆等的测绘，如图5～7所示。图5中S1～S7分别表示直径为63～65，71～72，80～81，84～85，94～96，118～119，143～144mm的上弦杆，SD1～SD4分别表示直径为100，110，120，140mm的上弦球节点。图6中X1～X4分别表示直径63～65，79～80，93～94，118mm的下弦杆，XD1～XD6分别表示直径100，110，120，130，150，160mm的下弦球节点。图7中F1，F2分别表示直径63～65，80～81mm的腹杆，图中未标注的腹杆均为F1。④对误差进行评估，通过点云处理软件，对现场放置的各类标准构件截面尺寸进行拟合计算，并对检测结果进行误差分析，结果表明误差范围为0～3mm，满足本工程测绘精度要求。

图4 球节点及杆件尺寸拟合计算

图5 空间网架结构上弦杆平面测绘

图6 空间网架结构下弦杆平面测绘

3 结语

1)采用地面三维激光扫描仪对空间网架结构进行现场扫描，为提高现场作业效率，可省略现场纹理信息数据采集过程。在点云数据现场采集过程中，关键技术指标是点云密度。在空间网架结构扫描过程中，应在保证点云密度满足实际工作需求的情况下，综合考虑扫描仪精度、被扫描杆件尺寸、作业有效范围等因素，合理选择扫描分辨率。

2)通过内业点云处理软件和绘图软件进行交互式空间网架结构下弦杆分布平面草图绘制，草图数据经法式测绘原则规整后，可还原空间网架结构设计轴网尺寸、杆件分布及截面尺寸。

3)采用点云数据拟合计算法，对现场放置的各类标准构件截面尺寸进行拟合计算，并对检测结果进行误差分析，结果表明误差范围为0～3mm，满足本工程测绘精度要求。

图7 空间网架结构腹杆平面测绘