三维激光扫描技术在异形建筑竣工测量中的应用

王 智，薛慧艳

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032)

随着城市化进程的加快及施工工艺的快速发展，越来越多的异形建筑出现在城市的主要场所，特别是城市标志性建筑、重大活动的场馆大多采用外形新颖、独特的设计理念进行建设，异形建筑在给人们带来视觉享受的同时，给规划竣工验收也带来了挑战[1]，如单体竣工需要绘制异形建筑平面图、剖面图，与设计数据进行对比分析，以验证施工是否满足规划设计要求[2-3]，传统的全站仪、GNSS接收机等测绘仪器均是相互独立的单点测量模式，异形建筑特征点难以取舍，内业成图各构筑物要素不易表达，难以全面反映异形建筑在空间的连续变化情况[4]。

三维激光扫描技术的出现为异形建筑的竣工验收测量提供了有效的解决方案，它突破传统的单点测量模式，以点云的形式采集并保存空间物体表面的三维几何信息和纹理数据[5]。2014年世园会是继2008年奥帆赛之后，青岛承办的持续时间最长、参与人数最多、涉及面最广的一项国际性活动。世园会的主要标志性建筑——主题馆，是典型的异形建筑，本文以青岛世园会主题馆为例，介绍三维激光扫描技术在异形建筑物规划竣工验收测量中的应用，可供其他类似工程借鉴参考。

1 数据采集

外业数据采集采用徕卡ScanStation P40三维激光扫描仪，P40融合了高精度的测角测距技术、WFD波形数字化技术、Mixed Pixels混合像元技术和HDR图像技术，测角精度为8″，测距精度为1.2 mm+1×10-5D，扫描速率高达每秒100万点，扫描距离可达270 m[6]，外业数据采集流程如图1所示。

为保证各站扫描数据具有较高精度的绝对坐标及内符合性，综合考虑主题馆周边地形情况及竣工测量的精度，在主题馆周边利用青岛市连续运行基准站系统下的网络RTK布设平面控制点，高程采用电子水准仪进行二等水准观测，并以其中一个控制点RTK观测下经精化后的正常高作为起算点，作闭合水准平差得到各个控制点的高程。

图1 外业数据采集流程

架站时充分利用现场地形的高差起伏使扫描视野覆盖整个主题馆，为避免激光扫描方向与被扫物体夹角过大带来的误差，外业应尽量保证正直扫描[7]，每两个测站之间通过2～3个标靶进行联结，并保证有一定的重叠区域，同时顾及与控制点的衔接，以及减小干扰物体的遮挡[8]。

参数设置主要包括扫描范围设置和扫描密度设置，扫描范围越大，密度越高，外业扫描花费的时间越长，内业数据传输及点云预处理的时间也就越长[9]，为提高作业效率并顾及建筑物竣工测量的精度要求，将扫描密度设置为中低档，每一站的扫描范围仅限于主题馆视野区域[10-11]。设置后每站扫描时间不到10 min。

2 数据处理

2.1 点云数据预处理

直接获取的点云具有数据量大、密度高、带有扫描物体光学特征信息等特点[12]。点云预处理采用Cyclone软件，预处理主要包括点云拼接、去噪滤波、点云分割等操作[13]。流程如图2所示。

点云拼接是通过一定的约束条件将外业各测站的扫描数据配准到统一的坐标系下，拼接完成后得到一个项目的完整点云[14]。拼接的基本原理是将不同测站观测的同名点利用空间相似变换公式转换到统一的坐标系下，转换公式如下

图2 三维点云预处理流程

(1)

式中,(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)为同名点在不同测站下的空间三维坐标;R为旋转正交矩阵；T为平移矩阵。

拼接方法主要有基于标靶的拼接和基于点云视图的拼接，基于标靶拼接的前提是扫描仪现场在整平状态下扫描站点与站点之间有两个或两个以上的公共标靶，基于点云的视图拼接是利用站点之间扫描的公共区域进行的半自动拼接[15]。本项目采用基于标靶的拼接方式，不同测站相互拼接的转换参数通过标靶进行自动求解，并通过录入控制点坐标使得点云统一到当地绝对坐标系下。拼接后的点云如图3所示。

图3 拼接后主题馆点云

点云优化包括点云统一化、抽稀等操作，点云统一化的目的是将整个点云统一处理为单一的合并点云，由于激光扫描仪外业观测数据量庞大，操作对电脑配置要求高，抽稀即减小点云的密度，统一化处理、抽稀后，点云的浏览、选择等操作都会在原有的基础上变得更加流畅。

去噪、滤波是一种点云优化过程。在扫描仪的原始点云中往往包含若干对于成果处理有不良影响的点，去噪、滤波就是通过一定的处理手段，保留有效点，删除无效点的过程。对于有序点云可通过平滑滤波的方法进行去噪，对于散乱点云数据则采用八叉树法、空间单元格法、KD-tree法等方法进行去噪处理。

点云的切割本质是将一片完整的点云划分为若干个点云的子集，便于后续的建模等基于点云的成果处理和数据的导入导出。

2.2 三维建模

三维建模是将海量离散的三维空间点转换为连续、统一的三维模型的过程，建模可通过拟合等方式创建，以精确表现扫描物体的空间形态。拟合点云首先需要选取特定位置的点云数据，并通过延展、对齐、切割等辅助操作进行构建，对创建的单元模型通过编辑模型颜色及材质以增强扫描物体的三维真实效果。

异形建筑三维模型构建过程中曲面的拟合是最关键、复杂的过程，其主要是寻找最优的数学模型，通过对空间离散点的拟合构建异形建筑原始的近似模型。曲面拟合采用非均匀有理B样条模型(NURBS模型)，该模型具有算法稳定、速度快、曲面拟合效果好等优点。

NURBS模型拟合空间曲线采用分段有理多项式函数，表示为

(2)

式中，Wi为权重；Vi为控制顶点；Bi,k(u)为k次规范B样条基函数。

NURBS模型拟合空间曲面数学函数表示如下

(3)

式中，Wi,j为四角顶点处的权重；Vi,j为控制顶点拓扑矩阵，形成一个控制网络；Bi,k(u)和Bj,l(w)分别是u向k次和w向l次B样条基函数。

世园会主题馆大部分结构为规则的空间平面，在四角转弯处为空间不规则曲面，平面拟合先切割点云，限制拟合空间范围，再拾取相应点云进行自动拟合，不规则曲面采用NURBS模型进行拟合，建模后的三维主题馆模型如图4所示。建立三维模型后可创建三维漫游动画等方式，提供给相关部门辅助规划竣工验收。

图4 建模后主题馆效果

2.3 竣工图制作

建筑物单体竣工图主要包括平面图和立面图，可通过在Cyclone软件里创建参考面及切片功能实现，参考面是三维模型转向二维线划图的重要辅助工具，切片功能往往与参考面功能协同使用，以达到切割剖面的目的。

根据设计图及规划竣工要求设置参考面位置，并设置厚度为2 cm的切片点云，在切片点云的基础上绘制二维线划图，绘制后的平面和剖面图如图5 和图6所示。

图5 规划竣工平面图

图6 规划竣工立面图

3 结 语

三维激光扫描技术突破了传统的单点测量技术，大大缩短了作业时间，提高了生产效率，大大节省了人力成本且成果更加全面，具有点云、模型、线划图等多种成果表达方式；鉴于三维激光扫描仪良好的技术特性，已逐步应用于各相关领域，利用三维激光扫描技术对复杂不规则结构的异形建筑物进行竣工测绘具有无可替代的优势。

本文总结了使用三维激光扫描仪外业数据采集、点云数据预处理及竣工图生产等整个过程，对模型构建、剖面图绘制等关键技术进行了分析，并结合青岛世园会主题馆竣工测量案例说明了三维激光扫描仪用于异形建筑竣工测量的优势，对于其他类似工程具有重要参考意义。

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