曹 寧 秘 桐 于 茜 許艷博 馬金榮 楊伯鋼

(1. 北京市測繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

竣工測繪是建設(shè)工程的最后一個環(huán)節(jié),是評價與驗(yàn)收工程是否按圖施工的基本依據(jù),可以有效預(yù)防違法建筑物的產(chǎn)生[1]。傳統(tǒng)竣工測量項(xiàng)目主要采用全站儀測繪的方法,此方法存在受作業(yè)環(huán)境影響較大,數(shù)據(jù)采集效率低、工作強(qiáng)度高、時間與人員投入多等局限性。因此,如何快速高效地進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,繪制更高精度的竣工成果圖已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2-5]。

三維激光掃描技術(shù)是通過高速激光掃描測量的方法,大面積、高分辨率的快速獲取被測對象表面的空間點(diǎn)位信息,具有非接觸、自動化、高效率、高精度、全覆蓋等測量優(yōu)勢。其中,站式三維激光掃描儀在工作時位置處于固定狀態(tài),掃描精度較高,在測繪領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[6-9]。

針對傳統(tǒng)竣工測量方法的局限性,本文利用RTC360站式三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,通過視覺追蹤與智能拼接技術(shù)實(shí)時預(yù)拼接,獲取竣工測量所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及點(diǎn)云去噪等處理后,進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,利用清華山維地理信息工作站基礎(chǔ)平臺(EPS 3D survey)與AutoCAD繪圖工具繪制竣工平面圖、立面圖與地形圖,并對點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度與作業(yè)效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究表明,利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行竣工測繪,可以滿足竣工測量的測繪要求,有效減少了外業(yè)測量的工作量,提高了工作效率與成果精度。

1 設(shè)備簡介

本文利用徠卡RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.1 核心技術(shù)

RTC360三維激光掃描設(shè)備融合了實(shí)景復(fù)制、視覺追蹤、智能拼接三大技術(shù),集成RTC360極速三維激光掃描儀與Cyclone Field 360外業(yè)操控軟件、Cyclone Register 360智能拼接軟件,具有便攜、簡單、智能、高效等特點(diǎn)[10-11],如圖1所示。

圖1 徠卡RTC360三維激光掃描儀

(1)實(shí)景復(fù)制技術(shù)。掃描儀內(nèi)置3個高像素、高動態(tài)范圍成像相機(jī),成像質(zhì)量高,可真實(shí)還原現(xiàn)場細(xì)節(jié),且全景照片采集速度快,不受環(huán)境光源影響,能滿足不同場景的照片采集。

(2)視覺追蹤技術(shù)。由5個內(nèi)置相機(jī)與慣性測量單元實(shí)時計(jì)算連續(xù)兩站間的相對位置,以供點(diǎn)云精確拼接,全過程無須人工干預(yù),全自動操作,簡單高效。

(3)智能拼接技術(shù)。將Cyclone Field 360實(shí)時預(yù)拼接與Cyclone Register 360點(diǎn)云拼接技術(shù)相結(jié)合,全自動化拼接,可提高點(diǎn)云拼接速度與精度,簡化內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程,提高工作效率。

1.2 技術(shù)參數(shù)

徠卡RTC360掃描儀相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

1.3 應(yīng)用于竣工測量的優(yōu)勢

(1)設(shè)備體積小,重量輕,兼具移動性與便攜性,作業(yè)負(fù)擔(dān)低。

(2)操作簡單直觀,作業(yè)效率高,數(shù)據(jù)精度高。自動整平與自動配準(zhǔn)技術(shù)在減少設(shè)站時間的同時,提高點(diǎn)云配準(zhǔn)的可靠性,減少人工配準(zhǔn)時間與誤差,大幅避免返工。

(3)同時獲取三維點(diǎn)云與全景影像數(shù)據(jù),完整展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)表面特征信息。為內(nèi)業(yè)繪圖與質(zhì)量檢查提供豐富的空間與屬性信息;實(shí)現(xiàn)竣工資料的數(shù)字化永續(xù)留存,為后期擴(kuò)展應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2 技術(shù)路線

竣工測繪三維掃描一體化技術(shù)方案整體工作流程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果制作、精度驗(yàn)證與效率統(tǒng)計(jì)以及成果提交,如圖2所示。在現(xiàn)場踏勘后,進(jìn)行儀器準(zhǔn)備、竣工資料以及首級控制資料調(diào)閱等前期準(zhǔn)備工作,并布設(shè)控制點(diǎn),利用站式三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集與實(shí)時預(yù)拼接;將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及點(diǎn)云去噪等處理;利用繪圖軟件分別繪制竣工平面圖、立面圖與竣工測量地形圖,并經(jīng)質(zhì)量檢查合格后提交成果。

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 現(xiàn)場踏勘

在進(jìn)行掃描作業(yè)前做好儀器、竣工資料準(zhǔn)備以及首級控制資料調(diào)閱等前期工作。數(shù)據(jù)采集過程中,為了兼顧測繪精度與掃描效率,要在確保掃描無死角以及測站間點(diǎn)云重疊度的同時,以盡量少的設(shè)站數(shù)獲取掃描對象信息。并且由于掃描站點(diǎn)的增加以及位置分布可能會導(dǎo)致誤差累積,影響配準(zhǔn)精度與最終成果精度。所以必須提前進(jìn)行現(xiàn)場踏勘,了解掃描對象及其周邊環(huán)境,設(shè)計(jì)最佳掃描路線與站點(diǎn)分布,減少掃描盲點(diǎn),盡量避免后期補(bǔ)測工作。

3.2 數(shù)據(jù)采集

在掃描作業(yè)前,需要提前進(jìn)行控制測量,即在關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)靶布設(shè)及測量,用于后續(xù)絕對坐標(biāo)的配準(zhǔn)。現(xiàn)場作業(yè)時開啟掃描儀的視覺追蹤功能并實(shí)時預(yù)拼接,為后續(xù)不同測站間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與校核提供依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)路線及規(guī)劃測站,完成所有測站點(diǎn)云的掃描及自動拼接[12]。

其中,作業(yè)過程應(yīng)注意：

(1)掃描設(shè)備架設(shè)時,應(yīng)選擇遠(yuǎn)離車輛人群、穩(wěn)定堅(jiān)固的地面,避開地面震動較大區(qū)域。

圖2 技術(shù)路線

(2)相鄰站之間應(yīng)相互通視并保證30%以上的公共區(qū)域。針對相對復(fù)雜或遮擋嚴(yán)重區(qū)域,可適當(dāng)增加測站數(shù)量,以保證數(shù)據(jù)完整性。但架站密度不宜過大,否則將大幅增加數(shù)據(jù)采集與處理的工作量。

(3)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求與掃描對象復(fù)雜程度,合理設(shè)置點(diǎn)云分辨率。避免因分辨率過低而丟失掃描對象特征導(dǎo)致精度降低,同時避免點(diǎn)云過密而增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)量以及內(nèi)業(yè)處理時間。

掃描路線應(yīng)盡量形成多個閉合環(huán),以確保相對位置準(zhǔn)確,提高整體拼接精度。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 點(diǎn)云拼接

將外業(yè)獲取的各測站原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用Cyclone Register 360軟件拼接為完整點(diǎn)云[13]。由于在數(shù)據(jù)采集過程中,已對各站點(diǎn)云基于視覺追蹤技術(shù)進(jìn)行了預(yù)拼接,故數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,絕大部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)了配準(zhǔn)拼接。導(dǎo)入后的點(diǎn)云以點(diǎn)群形式顯示,根據(jù)精度高低顯示為紅色、黃色、綠色。檢查預(yù)拼接點(diǎn)群的對齊狀況,對誤差超出允許偏差的點(diǎn)群,通過同名點(diǎn)或目視拼接的方式進(jìn)行拼接,在精度滿足要求的情況下生成完整閉合的點(diǎn)云群。

4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過“應(yīng)用控制點(diǎn)”功能提取獲取的標(biāo)靶點(diǎn)三維坐標(biāo),將拼接后的整體點(diǎn)云配準(zhǔn)到絕對坐標(biāo)系[14]。并生成配準(zhǔn)報(bào)告,發(fā)布點(diǎn)云成果,輸出*.las格式標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

4.3 點(diǎn)云去噪

由于在掃描過程中,會因傳感器本身、環(huán)境變化以及被測物體表面光滑程度等多種因素,不可避免地導(dǎo)致原始點(diǎn)云中存在部分干擾點(diǎn)或錯誤點(diǎn)。因此,需要對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪,刪除冗余點(diǎn)云,節(jié)省存儲空間的同時,排除干擾數(shù)據(jù),提高后續(xù)成果制作的效率與精度[15]。在Autodesk ReCap軟件中,通過人機(jī)交互的手段,利用限制工具進(jìn)行范圍約束,以人工框選的方式完成精細(xì)點(diǎn)云去噪,如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云去噪效果

5 成果制作

5.1 平面圖繪制

將去噪后的整體點(diǎn)云,利用Autodesk ReCap軟件,進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,將*.las格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為*.rcp格式點(diǎn)云數(shù)據(jù),為竣工平面圖繪制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過AutoCAD繪圖軟件,建立統(tǒng)一模板,利用CloudWorx插件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、旋轉(zhuǎn),依據(jù)竣工測量相關(guān)要求,繪制竣工平面圖,標(biāo)注相關(guān)信息。并經(jīng)檢查合格后提交最終成果。

5.2 立面圖繪制

繪制竣工立面圖需要利用清華山維EPS 3D Survey三維測圖軟件將*.las數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為*.pcd格式數(shù)據(jù)。經(jīng)過點(diǎn)云切片、圖框生成、點(diǎn)云切片測量等處理,繪制竣工立面圖,并經(jīng)檢查合格后提供最終成果。

5.3 地形圖繪制

在選擇比例尺后,將格式轉(zhuǎn)換后的*.pcd格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到清華山維EPS 3D Survey軟件中。根據(jù)需求設(shè)置點(diǎn)云著色方式,依據(jù)竣工測量要求,提取與繪制點(diǎn)、線、面等基本地物,生成等高線,提取高程點(diǎn),繪制竣工地形圖。

在地形圖繪制完成后,進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)檢,包括空間數(shù)據(jù)邏輯檢查、自交叉檢查、重疊對象檢查、等高線與高程點(diǎn)檢查等。合格后輸出竣工地形圖,如圖5所示。

圖5 竣工地形圖

6 精度分析

經(jīng)與全站儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較分析,利用全站儀與掃描儀同時作業(yè),采用同精度控制點(diǎn),通過雙極坐標(biāo)法串測與水準(zhǔn)聯(lián)測,獲取點(diǎn)位坐標(biāo)與高程。由表2、表3可知,徠卡RTC360三維激光掃描儀測量相同點(diǎn)的點(diǎn)位平面較差中誤差為1.4 cm,單邊較差中誤差為1.0 cm,高程較差中誤差為2.0 cm,精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足竣工測量相關(guān)規(guī)范要求。

表2 掃描儀與全站儀坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì) 單位：m

表3 地物點(diǎn)及高程點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) 單位：m

7 效率統(tǒng)計(jì)

經(jīng)某一實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用三維激光掃描技術(shù)開展竣工測繪工作,綜合效率能達(dá)到傳統(tǒng)全站儀測量的兩倍左右,特別是外業(yè)工作只有全站儀測量的20%,有效地把大量外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)處理,減小了天氣與環(huán)境復(fù)雜程度等因素對測量工作的制約。其中,由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加精細(xì)、全面,使得外業(yè)數(shù)據(jù)處理時間較全站儀略長,但隨著未來軟硬件性能的提升,處理時間將進(jìn)一步縮短;與此同時,依據(jù)高精度、全覆蓋的點(diǎn)云數(shù)據(jù),使內(nèi)業(yè)成圖與質(zhì)量檢查工作能充分利用點(diǎn)云記載的豐富空間和屬性信息,效率均有所提高,詳細(xì)對比情況如表4所示。

表4 效率統(tǒng)計(jì)

8 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)今竣工測繪領(lǐng)域面臨的實(shí)際工程難題與測量方法存在的局限性,利用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與去噪等處理,繪制多種竣工成果圖,降低了作業(yè)所需的人員與時間成本,大幅提高了工作效率與成果可靠性,為竣工測繪中三維掃描技術(shù)的應(yīng)用提供了科學(xué)的理論指導(dǎo)與可靠的技術(shù)支撐。因此,隨著三維激光掃描設(shè)備與軟硬件性能的提升,竣工測繪中三維掃描一體化技術(shù)已逐步取代傳統(tǒng)高成本、低效率的測量方法,為工程竣工測繪提供了全新、可行的技術(shù)手段與生產(chǎn)模式。