三維激光掃描技術在老舊小區改造測量中的應用

黃開鑫 王光澤 羅知真

(南昌市測繪勘察研究院有限公司 江西 南昌 330038)

1 引言

隨著我國城市化進程的快速發展以及人們對生活環境改善的迫切需求，越來越多的城市對設施陳舊、老化、配套設施不齊的老舊小區進行提升改造。老舊小區缺乏翔實的大比例地形圖、樹木及建筑立面圖等現狀基礎數據。傳統的基礎數據采集方法是：外業使用全站儀、測距儀、皮尺等設備獲取三維坐標和長寬尺寸等數據，內業結合外業草圖進行制圖，但該方法投入人力大、作業時間長、工作效率低。三維激光技術是一種新型技術，以全數字化、快速、高精度和不接觸的特點[1]，利用三維激光技術進行外業的點云數據采集，內業通過儀器自帶軟件進行點云數據的去噪、自動拼接、配準和坐標轉換等工序，再借助制圖軟件完成各種圖件編制[2]。該方法外業采集時間短、工作效率高、點云數據信息量大且精度高，很好地補充了傳統方法的不足。

2 項目需求及技術流程

2.1 項目需求及難點

經技術調研，項目需求主要有：一是對測區進行約0.65km2的1∶500 地形圖測繪；二是對測區范圍內約3700 棵胸徑10cm 以上的樹木進測量和標注樹木品種，并對樹穴（圍護設施）進行測量；三是對測區范圍內約155000m2建筑物外立面進行測量，繪制建筑物立面示意圖，并按陽臺、店招、門、窗戶、面磚等要素和材質進行分類統計。甲方為節約時間和成本，由設計方現場調研和普查，減少重復戶型建筑的立面測量工作，并用不同的顏色區分不同戶型的建筑，立面測量時選擇同一色中的任意一棟建筑即可，未填充色彩的建筑需要全部測量建筑立面；四是需要在10 個工作日內提供以上所有測繪成果。采用常規方法無法滿足甲方的工期要求，且測區的空域限飛和空間狹小情況也無法采用無人機作業模式。

從實地踏勘得知，本項目實施過程中主要困難是測區內的人流、車流量大，測區范圍內植被茂盛，大多數的樹木為樟樹，枝葉茂密，遮擋嚴重。GNSS RTK圖根控制布設難度較大。

2.2 作業模式的選取

根據項目特點，采用設站式三維激光掃描進行實地掃描，并通過點云配準技術進行拼接，可實現大部分外業數據一次性采集，適當進行補充測繪即可完成外業數據的采集工作。文獻[3]通過多種點云數據匹配模式，得出了基于標靶的點云數據配準精度與基于測站后視的點云數據配準精度接近且較高的結論。文獻[4?5]系統闡述了激光點云數據進行大比例尺地形圖測繪的方法和可行性。文獻[6?8]通過實例方式驗證了三維激光掃描技術在建筑物立面測量中的優越性和精度的可靠性。因此，選用三維激光掃描進行外業數據采集，結合內業編輯完成本項目，是目前比較理想的作業模式。

2.3 技術流程

經實地踏勘及技術調研，依據甲方的技術要求，該項目的技術流程可分為測前準備、外業數據采集、內業數據處理及成果交付四個環節，其技術流程圖如下：

圖1 技術流程圖

3 基礎數據獲取

3.1 測前準備

3.1.1 工作內容和要求

在測繪工作開展前，主要準備工作有：

（1）資料收集：收集測區已有的平面點和高程點的起算數據，已有的數字線劃圖數據，并對以上資料進行可靠性檢驗。

（2）實地踏勘：通過對測區的踏勘，詳細掌握測區及其周邊的環境，并巡查測區已控制點是否保存完好，巡視已有數字線劃圖的現勢性是否滿足項目的要求等。

（3）編制方案：結合實地踏勘情況和甲方的測量需求，編制項目技術實施方案。

（4）人員設備準備：組織人員、協調儀器設備，對投入的技術人員進行培訓，明確工作職責和任務目標。

3.1.2 方案編制

依據甲方需求和規范，對本項目的技術實施方案進行編制：

（1）布設圖根控制，再基于測站式點云采集。掃描儀采用Leica P50，該儀器為長測程三維激光掃描儀，測程最遠可達1 km。

（2）規劃好點云掃描設站點、掃描路線和采集時間等工作。點云采集時間選擇在上午9:30～下午4:30，夜間作業時間可選擇在夜間8:00之后。

（3）點云配準軟件采用Cyclone，地形圖繪圖采用北京山維EPS 點云測圖軟件，立面圖采用制圖軟件進行繪制，利用自行設計的“建筑立面測量要素分類與統計程序1.0”程序進行立面要素分類與統計工作等。

3.2 外業數據采集

3.2.1 控制點測量

（1）平面控制測量

為保證測量精度，采用先控制后碎部的原則。平面控制點按兩級布設，先采用RTK 按三級要求布設高等級平面控制點,后采用圖根導線加密。項目采用網絡RTK 測量，基準站利用江西省連續運行參考站JXCORS。本項目共布設控制點60 個，點位密度及分布情況滿足地形圖測繪要求。平差計算后的相對于圖根起算點的實測最弱點精度為±9mm，相對于鄰近圖根點的實測最弱點精度為±6 mm，各項精度指標均滿足規范要求。

（2）高程控制測量

采用DS05 級的天寶DINI03 電子水準儀配合3米銦鋼尺進行圖根水準測量。利用科傻控制測量軟件以距離定權進行水準平差計算，高程值取位至毫米。平差后的最弱點高程中誤差為0.9 mm,最弱相鄰點高差中誤差為0.5 mm,均滿足規范要求。

3.2.2 點云數據采集

（1）主路設站間距選擇80 米左右，小路、支路及宅間道路的站點間距選擇40 米左右，地形要素采集的站點間距可適當增加，確保數據一定的重疊度，保證數據完整、齊全，由于掃描線路節點多，可設置標靶進行標記。

（2）設置掃描參數，主路和需要立面測繪的站點采用6.3 mm@10 m 分辨率作業，其他地方的站點設置較低分辨率12.5 mm@10 m。該方式有利于提高點云質量，減少冗余點云數據，提高作業效率。

（3）目標物掃描時，先在控制點上架設儀器，后在另一控制點上定向，完成參數設置、設站及定向工作后，方可進行目標物掃描。對需要立面圖的建筑進行加密掃描，保證立面數據的完整無缺，一般一棟建筑四周立面數據需要架設6 站。對地形圖要素掃描的原則是：在確保完整覆蓋整個測區的前提下少設站。目的是提高工作效率和減少拼接誤差。本次采集工作共投入4 人進行外業掃描，共設置測站235站，掃描作業時間2天半。

（4）目標物的紋理圖像數據采集可利用三激光掃描儀內置相機拍攝的方式，一體化采集影像數據，后期可實現與點云數據的自動整合，同時利用手機或相機進行影像或視頻拍攝，特別要對地形和立面復雜區域進行拍攝，目的是恢復作業人員的記憶，在內業數據制圖時，幫助數據制圖人員在不返回測區的前提下勝利完成制圖工作。

（5）外業人員還需要進行樹種調查，因測區內大多為樟樹，因此，只需要對非樟樹進行調查，將樹木的位置和樹種標示在外業草圖上，同時也進行影像拍攝，以助內業人員更好地判斷樹種和位置。

3.3 內業數據處理

3.3.1 點云數據處理

1）點云拼接

掃描儀在各個測站獲取的是局部點云，要得到測區的完整點云數據，需將外業采集的掃描數據導入Cyclone 軟件，再進行點云的自動拼接融合、配準等工序才能拼接出完整的測區點云數據。

2）點云處理

拼接好的點云數據需要進行統一化、去噪、分層、裁切等工序才能滿足后序數據制圖要求。點云統一化的目的是將站點云統一處理為單一的合并點云，也可在該過程中進行點云的等比例抽稀。因統一化操作是不可逆的，在執行該操作前應做好備份工作。點云去噪的目的是讓有效點保留，無效點去除，比如點云數據中的人、車等非地形地物要素均可去除。點云的分層與裁切的本質是將點云劃分成若干個點云子集，以便數據的分類導出，便于后期的數據制圖工作。

3.3.2 數據制圖

（1）地形地物和樹木繪制

本次利用北京山維EPS 立體測圖軟件進行地形圖和樹木的繪制工作。在繪地形圖時充分利用三維掃描儀獲取點云數據、紋理圖像數據及人工拍攝的相片或視頻資料進行地形地物要素的編輯，并對部分遮擋區域的圖進行整飾，必要時適當進行外業補充測量，確保地形圖的完整、齊全。繪制樹木專題圖時，需要繪制樹木及樹穴（圍護實施）位置，并結合外業樹種調查情況，在對應的樹木位置標注樹種。

（2）建筑點云數據再處理

為緩解大量點云數據對電腦運行速度的影響，適當優化已處理好的點云數據，可刪除樹木、路邊線等非建筑點云的點云數據，并對點云進行整體著色，利用制圖軟件進行點云的展示以輔助建筑立面圖繪制。

（3）建筑立面圖繪制

在點云導入前，要在制圖軟件中新建三維繪圖模式，并設置數據精度和尺寸單位。在制圖軟件菜單欄中點擊插入→點云→附著，找到點云存放的路徑，找到相應格式的點云數據，即可導入制圖軟件中。由于點云是三維坐標數據，但是建筑立面圖所需的僅僅是二維數據，所以我們需要設置新的UCS坐標系,才能以正視角度進行該建筑的立面圖繪制。完成該立面圖繪制后，需新建一個二維繪圖模式的空白文檔，將剛繪好的立面圖復制到二維文檔中。繪制下一面的建筑立面時，需重復以上操作，直至完成所有的立面圖繪制。立面圖通過數據質檢后，利用自行設計的“建筑立面測量要素分類與統計程序1.0”進行各要素的分類與統計工作等。以下是部分繪制好的建筑立面圖。

圖2 部分建筑立面圖

3.4 精度檢驗

為檢驗三維激光掃描儀在本項目中的測量精度，采用全站儀結合鋼尺丈量方式進行檢測，具體如下：

3.4.1 地形地物精度檢驗

本次地形地物(包含樹木)精度檢驗的采樣和中誤差情況如下表1，檢測結果表明地形地物(包含樹木)的間距中誤差和點位中誤差符合《城市測量規范》（以下簡稱《規范》）第6.1.6“地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差（圖上mm）≤0.5（即25cm），地物點相對鄰近地物點間距中誤差（圖上mm）≤0.4（即20cm）的要求；地形地物(包含樹木)的高程精度符合《規范》第6.1.7“城市建筑區和基本等高距為0.5m 的平坦地區，1∶500、1∶1000、l∶2000DLG的高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應大于0.15m”的要求。

表1 地形地物精度檢驗情況

3.4.2 建筑立面精度檢驗

如今針對立面測量還沒有相關標準，立面成果尺寸精度要求借鑒《規范》第6.1.6“地物點相對鄰近地物點間距中誤差（圖上mm）≤0.4（即20cm）”的規定要求，立面面積精度借鑒《規范》第11.1.5“表11.1.5房產面積測算的精度指標（m2）中三級”精度等級的要求。

（1）立面尺寸精度檢驗

本次立面測量共涉及建筑物66 棟，按照規范結合現場情況隨機抽取建筑物16 棟進行外業檢查，檢測內容包含：

1）立面要素表達的完整性及正確性；

2）立面要素分類的正確性；

3）立面特征點相對精度。每棟建筑物抽查立面抽查特征邊長不少于20條。本次共檢測646條特征邊長，經核算，立面、尺寸間距中誤差為±3.1 cm，檢測結果表明中誤差符合《規范》要求。

（2）立面面積精度檢驗

選取了13 棟建筑的部分立面、窗戶、門廊等共計81 個面積成果進行檢測，檢測結果表明面積較差的限差均滿足《規范》要求。

4 相關技術問題

經實踐，發現三維激光掃描技術在城市老舊小區改造項目測量中的應用中應注意幾個問題，具體如下：

（1）外業數據采集模式

同時獲取地形圖及建筑立面等點云數據，采用先控制后碎部、基于設站的點云數據采集模式。點云拼接方法是絕對拼接方法，該作業模式外業人員投入較多，外業作業效率有所下降，但有效地控制了誤差傳播，確保了測量精度，且整體比常規的全站儀作業模式效率高。若無需提供基礎坐標及其他地形地物要素的項目，可采用基于形狀匹配的點云數據采集模式，將大幅提高外業生產效率，充分發揮三維激光掃描儀的外業數據采集優勢。

（2）紋理影像采集

三維激光掃描儀具有全天候作業的優勢，本項目的數據采集時間有白天和夜間，但夜間的紋理圖像數據采集效果欠佳，對紋理圖像數據要求較高的項目，不宜在夜間采集數據。在實施過程中，利用了內置相機采集紋理影像數據，但后期制圖中發現，三維激光掃描儀采集的紋理影像數據目前沒有照相機拍攝的相片清晰和直觀，建議在同類項目實施過程中，關閉紋理影像采集功能，一是可提高外業生產效率，二是可大幅降低點云數據文件的大小。

（3）點云數據的傳輸與處理

掃描儀中的點云數據文件巨大，動輒幾十GB，一次性導入耗時長，且數據傳輸時容易中斷或傳輸失敗?？刹捎梅峙鷮氲姆绞絺鬏敂祿?。點云數據處理有很多操作是不可逆的，在進行數據處理前，建議對點云數據進行備份。

5 結束語

本文以老舊小區改造測量工作為實踐對象，系統闡述了三維激光掃描作業流程、數據處理及技術要點等內容。用傳統方法校核了地形、地物、地貌及立面圖的成果精度。實踐證明，三維激光掃描技術可快速高效地采集外業數據，降低了外業作業的勞動強度。在項目實施過程中，應著重測量方案的編制，點云數據采集參數及站點的設置，點云拼接、去噪、分層及裁切的方法和內業成圖的技藝等關鍵技術。當然，三維激光掃描技術也有自身的短板，實際操作中需要借助傳統方法進行配合。