三维激光扫描技术在城市规划核实测量中的应用

三维激光扫描技术在城市规划核实测量中的应用

周益辉

普洱联成科技有限公司  云南 普洱  665000

摘要：本文主要阐述了三维激光扫描仪的基本理论，并结合RIEGLVZ-400型激光扫描仪，对其在城市规划核实测量中的技术特征进行了分析，并结合具体的工程实例，说明了其应用的可行性和优越性。

关键词:三维激光扫描;规划核实测量;ＲIEGL;精度分析

引言

从1970年代起，国外对三维激光扫描技术进行了深入的研究。在21世纪，随着计算机、电子等信息技术的迅速发展，三维激光扫描仪及其相关产品的发展迅速，特别是最近十年，在国内得到了迅速的发展和应用，并且已经能够独立地进行相应的研究和生产。三维激光扫描技术在测绘地理信息产业中是继全球卫星导航和定位技术后，可应用的一种先进的测绘技术。三维激光扫描器，利用高速的激光脉冲信号，对被扫描物体进行等距离的数据采集，各点包含坐标 X, Y, Z值，和对象对象的反射强度 I，纹理信息 R, G, B值，能够高精度大范围地获取被扫描对象的三维坐标信息，快速获取高密度高分辨率点云信息，为快速提取三维模型和全天候实时等技术手段。

1、三维激光扫描原理

三维激光扫描仪的主要工作原理是：激光测距，而在三维激光扫描仪中，它有一个单独的座标，其是以该仪器为原点；X轴位于横切面， Y轴垂直于X轴， Z轴垂直于横切面。在 XOY平面上和垂直面上分别设有一面镜子，当进行测量时，能够快速旋转，从而能够持续地在被检测的范围内进行激光的连续扫掠，通过这种方法，可以同时地测定各激光脉冲的空间距离 S、水平角度α和天顶距θ，从而可以用以下的表达式来表示：

X=S·sinθ·sinα，

Y=S·sinθ·cosα，

Z=S·cosθ。

根据测量方法，三维激光扫描仪可以分为固定型和移动型。采用激光发射扫描系统、控制系统、电源系统、内置或外部数字摄像机等。移动型激光扫描设备是以车载、舰载等为基础，采用三维激光扫描设备、全球导航定位系统和 IMU组合而成，具有更好的机动和高效性。本文将在工程中应用于固定的激光三维扫描仪。

2、三维激光扫描技术

在计划核查和测量中使用建筑工程完成后，由规划主管部门负责对其进行的计划核查，而对测绘结果的核实则是其中的一项重要内容。所以，建筑企业应根据工程的具体规划指标和设计要求，在进行规划审批之前，先委托具有相应的测绘资质的测绘机构，完成城市规划核实测量。工程规划核实工作的内容主要有：测绘工程和周围地形、建筑物平面位置、建筑物高程、建筑的立面和剖面。因此，规划与核查的工作流程比较繁琐，涉及的问题比较多，测量起来也比较困难，而测量结果又是工程项目是否通过设计验收的关键，因此，对结果的精确度都有很高的要求。

2.1规划核实测量现状情况

随着我国城市化进程的加快和社会经济的发展，城市设计日趋多样化，多功能建筑，形状复杂、不规则的建筑越来越多，这给建筑工程的规划与测绘工作造成了一定的困难。

1)低效。传统的测量方式都是以单一的方式进行，一次测量仅能获得一种元素的空间信息，而对某一工程的测量则是通过多次的重复使用设备和多次的按键进行测量。特别是那些形状不规则的建筑，为了达到设计和核实的要求，需要的数据量更多，工作量也更大，效率也更低，要求的测量准确度高。形状不规则的建筑工程完工后的测量问题，由于各种形状不规则的建（构）筑物的数量日益增多，使得其测量工作变得非常困难。这就使得传统的竣工计量工作难以进行，必须探索新的技术和方法。

2)精确度低。许多现代复杂的异型建筑，其外观形态千差万别，每一层都有不同的特点。常规的全站仪法，需要在地面上放置一个菱形的物体，或是采用没有棱柱的反光方法来确定物体的位置，从而导致不完全的空间要素,在绘制素描和记录点元的性质时会出现偏差，而且准确率不高。

3)二维成果。现有的规划核实工作大多是平面二维地形图、立面图、剖面图等，缺乏立体性，无法为规划主管机关提供直观、形象的三维建模结果。

2.2使用设备及项目情况

本次选取的调查项目为：一层为多功能复合式裙房，并包含5幢高层住宅。此次采用的是奥地利 RIEGL公司生产的VZ-400型激光扫描仪，其最大功率为300,000道/s，可在600米范围内进行扫描，在100米范围内可以实现3毫米的扫描，采用高精度的激光测距技术，配合公司独特的多回波接收及实时波形分析技术，可以实现对多种目标的检测。同时，本机的重量只有9.6公斤，可以外接高精度、低失真的专业 DR数码相机。

2.3三维激光扫描测量

1)三维激光扫描

由于地面三维激光扫描仪在扫描时将点云的空间定位确定为装置内的坐标，将其扫描的3D坐标转换为当地的独立坐标系，进行扫描精度分析，在进行扫描前必须设置控制点，利用 CORS系统中的 RTK和全站仪、水平仪等方法对各控制点进行三维坐标的测量。该工程共设置11个控制点，在扫描时，两个站点之间用反光板连接，每个站点之间至少有3个共同的反射板，将两个站点的数据进行拟合，并将两个站点的数据合并为一个整体。

2)点云数据处理

首先，利用 RiSCANPRO软件对原始点云进行了预处理，三维激光扫描资料由于受周围环境因素的影响，会造成噪音资料无法用于规划核实，所以必须首先进行过滤。然后，将3D激光点云的数据进行拼接。采用 RiSCANPRO软件，将各扫描站的云图数据按顺序拼接，最终得到了一个统一的坐标系。再将点云资料的3- D坐标变换，校准反射板的中心，确定用常规方法测量的反射板的3- D坐标作为校正镜的中心，这样就可以把点云资料转化成一个独立的本地坐标系，并对多站点云的数据进行了统计分析。因为每个站点的点云密度都很高且数据量很大，给计算机软件和硬件在点云中的应用带来了很大的困难。本文采用抽取式方法，以提高点云的处理与编辑工作的速度，使点云的数据量减少至50%。点云中包含了车辆、人员等无用点云的相关信息。因此，采用 RiSCANPRO软件对点云进行分析，去除了大量的无效数据，只保留了项目的数据。

3)扫描精度分析

采用三维激光扫描仪进行测量时，由于各个扫描台的拼接错误，造成了测量结果的偏差。此次扫描器在场地布置了23块反射板，利用全站仪对各反射板的位置坐标进行了实测，并在南侧和北侧各设置3块反射板。在经过扫描后，点云资料被转化为当地的单独的座标，而点云中的每一位都拥有一个真正的当地的独立座标。然后在点云上，用不同位置的坐标，与全站仪的实测数据相对照。根据错误解析表格，对点云数据进行拼图，得到了2.9 mm的最大拼接。因此，三维激光扫描系统的准确率高，能够充分地符城市规划核实测量需求。

4)地物要素测量

利用 POINTTOOLS程序对点云进行了三维激光扫描仪的采集，然后将其采集到 CASS中，对地形要素、建筑物外部轮廓、立面高度等进行了测量，绘制平面图、立面图、剖视图、面积计算等。对以点云资料为基础，选取建筑物平面图、立面图中的50个特征点，如建筑物拐角、女儿墙等，与现场采用全站仪测定的相同坐标值进行比较，发现平面坐标值最大差异为27 mm，而高坐标值差异最大为31 mm。该方法能保证完工后的平面标点偏差50 mm和标高40 mm的偏差，保证了工程的准确性。同时，此次3 d扫描测量由四名工作人员组成，包括扫描、采集、数据处理等外部作业流程，耗时2天。在初期，本工程以常规的方式进行计划和核查，两个三人团队共同在六个工作日内进行整个工程的施工。内部作业人员使用点云资料及全站资料，以点云资料为基础，在2个工作日内进行作业。而使用全站资料的时间仅为3天，即可进行内作业。从这一点可以看出，利用激光三维扫描仪进行计划核实工作的高效性，特别是在野外的数据收集方面。

结束语

3D立体成像技术的采集速率可以高达每秒10万-100万次，点云可以真实再现复杂建筑的每个细节，并将其应用于实际工程中，在城市规划核实测量方面具有显著的优越性，大大减少了在外作业的工作时长，减轻了工人的工作压力，增加了工作的工作质量。采用常规方法采集的点位、边长和高程与三维激光扫描仪结果进行对比，结果表明，该方法的准确率能达到城市规划验算标准。

参考文献:

[1]北京市测绘设计研究院．CJJ/T8－2011城市测量规范[S]．北京:中国建筑工业出版社，2011．

[2]吴志强，李德华．城市规划原理[M]．北京:中国建筑工业出版社，2010．