劉翰霖 林 楠 劉永吉

(吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院 吉林長春 130118)

0 引言

三維激光掃描儀是近年來新興發(fā)展的一項高新技術(shù)，具有著快速、精準(zhǔn)、方便、非接觸的獨特優(yōu)勢，這些獨特優(yōu)勢使得其可以有效解決采集數(shù)字化信息的難題。相較于傳統(tǒng)的單點測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)能連續(xù)自動地獲取批量數(shù)據(jù)，提高了測量的精度與速度。這些優(yōu)勢使其被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括地形測量，古建筑結(jié)構(gòu)測量，變形監(jiān)測，游戲場景制作，文物保護，電影特技等，是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域關(guān)注的熱點之一。

基于此，本文首先闡述了三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)來源，然后以琿春陽光小區(qū)為案例，論述其在舊房改造設(shè)計中應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 點云數(shù)據(jù)的獲取

通過查閱相關(guān)資料，獲取德國Z+F IMAGER 5010C型號儀器操作方法，進行實地踏勘前結(jié)合琿春陽光小區(qū)周邊情況制定合理的布設(shè)方案，如圖1所示。三維激光掃描儀可通過掃描已知坐標(biāo)的2個或2個以上標(biāo)靶球進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換自由設(shè)站，也可以在已知控制點上置鏡掃描另外一個已知控制點上球棱鏡進行已知點設(shè)站[1]。

圖1 掃描路線示意圖

傳統(tǒng)測量方式一般采取單點測量方式，而三維激光掃描技術(shù)利用的則是從水平至垂直的步進式全自動360°掃描測量[2]。在進行三維激光掃描時，對樓房掃描數(shù)據(jù)精度影響較大的是它的入射角，當(dāng)入射角超過60°時掃描數(shù)據(jù)誤差會急劇增加[3]。數(shù)據(jù)采集可根據(jù)入射角及樓房長度和寬度來確定最大測站間距選擇設(shè)站位置、設(shè)站方式，在設(shè)置好掃描范圍、掃描質(zhì)量、掃描分辨率以及拍照參數(shù)后然后進行自動掃描。

1.2 點云數(shù)據(jù)處理

1.2.1點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理一般分為4個部分，其包含有點云數(shù)據(jù)的去噪、點云數(shù)據(jù)的濾波、點云數(shù)據(jù)的抽稀以及點云數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換[4]。

在應(yīng)用地面三維激光掃描儀進行實際掃描時，會受到人為的或其他因素的影響，點云數(shù)據(jù)中或多或少混入了噪聲點，根據(jù)以往經(jīng)驗以及文獻記載證明，掃描所獲得的點云數(shù)據(jù)內(nèi)，大約存在0.1%～5%的噪聲數(shù)據(jù)是需要清除，所以在使用這些點云數(shù)據(jù)之前，必須要去除點云數(shù)據(jù)中所混入的噪聲。去噪后的點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 去噪后的點云數(shù)據(jù)

根據(jù)噪聲數(shù)據(jù)的高頻率特性，通過設(shè)計合適的濾波函數(shù)，對高頻噪聲數(shù)據(jù)進行平滑處理。平滑濾波一直是常用的有序點云去噪方法。現(xiàn)階段數(shù)據(jù)平滑通常采用高斯、平均、和中值濾波算法，如圖3所示。

圖3 三種常見的濾波效果

點云抽稀是在對點云數(shù)據(jù)進行去噪和濾波處理之后所必需進行的操作。通過三維激光掃描儀所采集到的點云數(shù)據(jù)是海量的，實施多期數(shù)據(jù)的拼接會出現(xiàn)很多重疊的區(qū)域，而且重疊面積比較廣。這些重疊區(qū)域在后續(xù)的建模中會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的簡潔性和實用性，如圖4所示。

圖4 抽稀后的點云數(shù)據(jù)

所謂的點云格式轉(zhuǎn)換，是指為了將處理好的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入到建模軟件中經(jīng)歷的必不可少的一個步驟。輸出的點云文件格式一般為.asc文件，需要將其改為.xyz格式文件，然后導(dǎo)入Autodesk recap 2016，轉(zhuǎn)換為Revit可以使用的兩種點云格式(rcp格式和rcs格式)。

1.2.2點云數(shù)據(jù)精度評定

為了分析拼接點云數(shù)據(jù)的總體精度，利用高精度Lecia TS30全站儀選取建筑物特征點和特征邊，利用極坐標(biāo)測量和對邊測量的方法，進行點位坐標(biāo)測量和邊長測量，將測量結(jié)果作為真值檢查點云數(shù)據(jù)的精度。

(1)坐標(biāo)檢查

設(shè)某一特征點的全站儀測量坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0)，基于點云數(shù)據(jù)量取的特征點的坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1)，則：

本次試驗共選擇了20個特征點進行檢核，觀測數(shù)據(jù)如表1所示，計算點位中誤差為±0.0239m。

表1 特征點坐標(biāo)與全站儀實測坐標(biāo)對比表 m

(2)邊長檢查

基于點云數(shù)據(jù)量取10條特征邊長，與全站儀實際量取值進行對比分析，如圖5所示。通過數(shù)據(jù)比對計算所量取特征邊的中誤差為±0.0184m(表2)。

圖5 數(shù)據(jù)對比柱狀圖

表2 特征邊長與全站儀實測邊長對比表 m

從特征點和特征邊的檢查分析結(jié)果可以看出，掃描的點云數(shù)據(jù)精度較高，與高精度全站儀測量結(jié)果對比，誤差均在±5cm范圍，該精度完全可以滿足三維模型建立。

2 研究過程

基于加大住房保障,中央政府高度重視棚戶區(qū)改造,全國各地面對繁重的改造任務(wù),普遍面臨的難題是資金短缺,影響項目推進[1]。在有限的資金和時間的影響下，傳統(tǒng)的GPS RTK和全站儀等二維測量技術(shù)已無法滿足現(xiàn)實中施工效率的需要，因此該改造將三維激光技術(shù)引入具體施工中，充分發(fā)揮目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出的快速、連續(xù)、自動等特點，整合多種傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，并將其一體化，以快速獲取目標(biāo)物體表面的三維點云數(shù)據(jù)。

2.1 模型重構(gòu)

琿春陽光小區(qū)共有8幢樓，8幢樓設(shè)計一致，所以只需對其中一幢樓進行建模即可。每一幢樓長約65m，寬約13m，占地面積近900m2。

模型重構(gòu)共分為7步，分別為點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、創(chuàng)建標(biāo)高和軸網(wǎng)、創(chuàng)建墻族、創(chuàng)建門族和窗族、創(chuàng)建樓板、創(chuàng)建樓梯以及創(chuàng)建屋頂。經(jīng)過對琿春陽光小區(qū)的模型重構(gòu)，可以得到其立體三維模型，并以立面圖形式觀察模型姿態(tài)(圖6)，與外業(yè)實體觀測照片進行比對，檢驗其合理性和真實性。

圖6 琿春市舊房三維模型各立面圖

2.2 工程量統(tǒng)計

在CAD時代，CAD軟件是無法自動計算工程量的。工程量的統(tǒng)計有兩種方法：一種方法是需要造價預(yù)算人員根據(jù)圖紙或CAD文件進行手工計算。這樣既消耗大量的人力和時間，而且容易出現(xiàn)算量誤差。第二種方法是根據(jù)施工圖紙或CAD文件利用專門的工程算量軟件重新建模，再由計算機自動統(tǒng)計工程量，如廣聯(lián)達軟件、神機妙算軟件等，但是也同樣需要不斷更新模型信息，才能獲得有效的工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

而Revit軟件包含了建筑項目各種構(gòu)件的真實工程量信息，使計算機可以快速地統(tǒng)計和分析工程量，并且減少了復(fù)雜的人工計算和潛在的錯誤。同時，軟件具有“一處修改、處處更新”的功能，這樣就容易使工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)與設(shè)計方案的一致。

琿春舊房改造項目從結(jié)構(gòu)、建筑模型的建立開始，就對現(xiàn)場的內(nèi)外墻、門窗、樓梯等參數(shù)進行統(tǒng)計(表3)。在進行舊房建模時就按照各構(gòu)件參數(shù)進行1∶1建模，以便在進行預(yù)算工程量統(tǒng)計時快速有效地按功能類別進行統(tǒng)計，減輕了造價預(yù)算人員在繁瑣的圖紙算量中耗費大量的時間和精力，從而更合理地分析材料的損耗情況和實際成本使用情況，并根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算出模板需求量，使該項目造價預(yù)算人員可以更好地監(jiān)控施工班組的實際材料及損耗數(shù)量、詢價以及評估風(fēng)險等工作。

表3 原外墻面積統(tǒng)計表 m2

改造完成后，實際工程量與原清單工程量對比，如表4所示。各項差值不大，符合項目要求，達到了預(yù)算的目的，圓滿完成了工程量預(yù)算的任務(wù)。

表4 工程量對比清單

3 結(jié)語

作為一種新型工程量統(tǒng)計方法，基于Revit三維建模的工程量統(tǒng)計，不僅可以提高統(tǒng)計的精度和效率，增加可視化效果，而且通過構(gòu)建的三維模型，可以及時地掌握舊房每一個位置的集體情況，為現(xiàn)場指導(dǎo)施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，因測量現(xiàn)場施工場地狹小，建筑材料使用量大，材料堆放場地緊張的實際情況，利用模型軟件在模型中提取材料信息，結(jié)合總體施工計劃，統(tǒng)計出每個施工階段所需的各類材料使用量，在滿足施工工期節(jié)點任務(wù)的基礎(chǔ)上，編制出各施工階段所需材料的進場計劃，根據(jù)計劃提前做好材料的準(zhǔn)備工作，及時組織材料進場，不僅緩解了現(xiàn)場場地狹小帶來的巨大壓力，也減少了材料在現(xiàn)場堆放過程中因儲存或防護不當(dāng)產(chǎn)生的損壞和失竊，可靠保證材料一次性到位，減少了材料的二次搬運等問題，進而達到了保證工程質(zhì)量、節(jié)約材料和加快施工進度的目的。