崔 磊，张凤录，钱 林

(北京市测绘设计研究院，北京 100038 )

三维激光扫描支持下的复杂异型建筑物测量

崔 磊，张凤录，钱 林

(北京市测绘设计研究院，北京 100038 )

针对传统工程测量对异型建筑物测量的局限性，利用地面三维激光扫描仪对复杂异型建筑物中央电视台新址大楼进行了测量；介绍了扫描仪的主要组成和作业流程，重建了建筑物三维立体模型，通过扫描仪和全站仪对圆形特征反射靶标的测量数据比对，评估分析了扫描仪测量精度。研究结果证明了三维激光扫描技术应用于复杂异型建筑物测量的可行性。

三维激光扫描；复杂异型建筑物测量；三维建模；精度评价

近年来，地面三维激光扫描技术在土石方测量、文物测绘、滑坡监测、建筑物变形监测、道路竣工测量等测量工程中得到了广泛应用。然而，传统工程测量对于特征复杂的异型建筑物测量具有一定的局限性，国内一些学者对异型建筑物结构变形监测及竣工测量进行了相关研究，取得了一定成果。谢宏全[1]、张平[2]等对城市异形建筑物进行了扫描测量，计算了建筑物面积，对扫描测量精度进行了评价，证明三维激光扫描技术在异型建筑物测量方面具有较好的应用前景；胡章节等[3]研究证明了三维激光扫描技术应用在建筑物工程规划竣工测量中的可行性；丁延辉[4]、吴静[5]等利用地面三维激光扫描技术对建筑物进行扫描和模型重建，取得了较好效果；冒爱泉[6]等对地面三维激光扫描仪精度测评方法和误差改正方法进行了研究，给出了扫描仪误差改正模型，为扫描仪点云的纠正处理提供了理论依据和数据模型。

本文利用Riegl VZ-400地面三维激光扫描仪对具有大量钢结构和大面积玻璃幕墙的复杂异型建筑物进行了扫描测量，重建了三维模型，扫描测量了建筑物基体圆形平面特征反射片，并利用全站仪测量结果评估了扫描仪点位测量精度，取得了较好效果。

1 系统工作原理和作业流程

1.1 工作原理

地面三维激光扫描系统是利用光学非接触测量方式快速获取空间地物高精度三维数据，通过对三维点云数据的分析处理和坐标系统的转换，重建被扫描物体的三维模型。

激光发射装置发出光束经扫描控制单元偏转后入射到物体表面，根据TOF激光脉冲测距原理获得激光光束发射点到被测物体的斜距，结合光束在垂直和水平方向的偏转角度，计算得到物体表面测量点在仪器内部坐标系的空间位置坐标。其中光束垂直和水平方向偏转通过光学平面反射镜和伺服马达驱动实现。

利用网络RTK对扫描区域进行控制测量，通过空间布设的特征靶标实现扫描仪内部坐标系与相机坐标系的位置关系转换。

1.2 作业流程

地面三维激光扫描系统作业流程分为前期规划、控制测量、数据采集、数据处理、模型重建与应用。

根据任务需求对扫描环境现场踏勘，根据测量场景大小、复杂程度和工程精度要求，确定扫描路线、扫描站点，确定扫描站数、扫描仪至扫描场景的距离和扫描密度。

控制测量布设的控制点与扫描站通视，以实现坐标系的统一和多站数据的拼接[7]。根据预先设定的扫描路线布设站点，实施扫描与拍照。初步分析扫描数据质量，保证采集数据量既不缺失，又不过度冗余，避免二次测量和数据处理产生不必要的工作量[8]。

数据预处理为模型重建提供可靠的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的质量。根据扫描场景和数据特点对区域划分，分别进行点云滤波和分割，对不同站点间扫描数据进行配准融合[9]。

对处理后的点云数据进行建模，利用拍摄图片进行纹理映射，对于规则表面和特征丰富的多维曲面区别对待，提高建模精度和工作效率[10]。

模型可视化和应用对建立的模型进行优化和数据整理，提取特征线、量测特征尺寸，计算特征面积和体积，监测并分析预测建筑物形变，为用户提供满足应用需求的三维模型和应用服务。

2 异型建筑物测量实例

地面三维激光扫描测量对象为中央电视台新址大楼，其地上51层，地下3层，建筑总面积约48万m2，两座塔楼双向内倾斜约6°，163 m以上部分通过L形悬臂结构连为一体。建筑物外表面由复杂不规则几何图案组成，具有大量钢结构和大面积玻璃幕墙，造型独特、结构新颖，属国内外特大异型建筑物。

采用的Riegl VZ-400地面三维激光扫描仪性能指标见表1。

系统扫描测量作业流程如图1所示。系统外业数据采集工作包括控制测量、激光扫描和影像采集；内业数据处理包括点云数据拼接、坐标系转换、工程图制作、数据建模、纹理贴图和精度分析等。

图1 系统作业流程

利用网络RTK现场布设外业控制测量点，控制点与扫描站通视，粘贴特征反射片，实现扫描各站点间数据拼接和坐标转换。为保证自动提取反射片中心坐标的精度，控制点间距在100 m以内。

根据现场环境，扫描测量设站23站，利用公共反射片实现站与站之间的点云数据拼接，拼接精度优于5 mm。扫描作业过程中始终使用相同控制点，每次扫描的数据经过坐标系转换后至同一坐标系下。利用现场布设的控制点实现点云数据坐标系转换，转换精度优于1 cm。对拼接后的点云进行预处理，包括数据滤波和平滑处理，处理后的三维点云模型如图2所示。

图2 扫描点云数据

根据点云数据重构三维模型，绘制建筑物的立面图、平面图和剖面图。建筑物三维模型如图3所示，建筑物东立面如图4所示。

在建筑物基体按序选择10个点粘贴圆形特征反射片，扫描仪对反射片测量，提取反射片靶标中心坐标，坐标系统一到控制点坐标系下；利用免棱镜全站仪测量反射片，获得反射片在控制点坐标下的坐标，将扫描仪测量结果和全站仪测量结果进行比对，点位坐标测量结果见表2。利用反射片靶标中心坐标计算反射片靶标中心距离，并与全站仪测量结果进行比对，测量结果见表3。

图3 建筑物三维模型

图4 建筑物东立面

序号全站仪测量坐标扫描仪测量坐标XYXYΔXΔY1509021．551305161．962509021．528305161．9430．0230．0192509047．368305186．528509047．354305186．5110．0140．0173509085．247305259．217509085．258305259．237-0．011-0．024509101．398305227．279509101．381305227．2540．0170．0255509128．621305255．361509128．637305255．342-0．0160．0196509152．349305304．214509152．31305304．2620．039-0．0487509170．584305336．353509170．597305336．368-0．013-0．0158509198．463305370．128509198．454305370．1570．009-0．0299509207．625305390．355509207．643305390．318-0．0180．03710509232．658305392．843509232．67305392．827-0．0120．016

表3 扫描仪与全站仪量边测量数据对比 m

为保证扫描仪测量的精度和可靠性，扫描仪测量反射片距离跨度为100～300 m，由表2、表3测量数据计算得到扫描仪点位测量中误差和量边测量中误差分别为3.3和1.1 cm，满足建筑物工程规划竣工测量要求。

测量结果证明了地面三维激光扫描应用于复杂异型建筑物测量的可行性，可有效地提高作业效率，通过丰富的点云数据可快速获取建筑物特征点、特征面、特征体的相对位置关系数据，为建筑物变形监测和沉降观测提供可靠依据。

本次测量中央电视台新址大楼结构大多是钢结构，外表玻璃幕墙的材质影响了激光扫描测量获取数据的准确性，以及数据拼接的质量和三维建模的质量；其地上建筑51层，为保证扫描仪的测量速度，地面三维激光扫描仪距建筑物的距离比较近，对建筑物高层测量时扫描仰角较大，获取的建筑物高层点云数据质量不高且大量数据丢失，对建筑物高层的扫描测量和建模质量产生了较大影响。3 结束语

利用Riegl VZ-400地面三维激光扫描仪对具有大量钢结构和大面积玻璃幕墙表面的特大异型建筑物进行了扫描测量，重建了建筑物三维模型。利用扫描仪和全站仪对圆形特征反射片的测量数据比对，评估分析了扫描仪点位测量精度。测量结果证明了地面三维激光扫描测量技术应用于异型建筑物测量的可行性，在复杂异型建筑物特征点、特征面、特征体的量测和变形监测分析等方面具有一定的优势。

[1] 谢宏全，张驰，尹吉祥，等．利用三维激光扫描技术进行异型建筑物竣工测量[J]．测绘通报，2015(11): 72-75．

[2] 张平，黄承亮，朱清海，等．基于三维激光扫描技术的异型建筑物建筑面积竣工测量[J]．测绘与空间地理信息，2014，37(5): 222-224．

[3] 胡章节，薛梅．基于地面三维激光扫描的三维竣工规划核实技术研究[J]．城市勘测，2013(1): 15-20．

[4] 丁延辉，邱冬炜，王凤利，等．基于地面三维激光扫描数据的建筑物三维模型重建[J]．测绘通报，2010(3): 55-57．

[5] 吴静，靳奉祥，王健．基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J]．测绘工程，2007(5):57-60．

[6] 冒爱泉，朱益虎，郝思宝，等．地面三维激光扫描仪精度测评方法和误差改正模型研究[J]．测绘通报，2014(2): 72-75．

[7] 盛业华，张卡，张凯，等．地面三维激光扫描点云的多站数据无缝拼接[J]．中国矿业大学学报，2010，39(2): 233-237．

[8] 张瑞菊，王晏民，李德仁．快速处理大数据量三维激光扫描数据的技术研究[J]．测绘科学，2006，31(5):93-94．

[9] 吴晨亮．基于三维激光扫描技术的建筑物逆向建模研究[J]．北京测绘，2013(5): 9-11．

[10] 杨林，盛业华，王波．利用三维激光扫描技术建筑物室内外一体化建模方法研究[J]．测绘通报，2014(7):27-30．

StudyonComplexShapedBuildingMeasurementBasedon3DLaserScanningSystem

CUI Lei，ZHANG Fenglu，QIAN Lin

(Beijing Institute of Surveying and Mapping, Beijing 100038, China)

In order to improve the operational efficiency and the results quality of the complex shaped building, a measuring method of the CCTV new site building based on 3D laser scanning system is designed and implemented. First, the principle and the integrated operational procedures of the 3D terrestrial laser scanning system are presented. Then, three-dimensional model of the CCTV new site building are measured and reconstructed. Finally, accuracy evaluation is accomplished by measuring the plane reflective targets based on scanning system and total station, as a reliable basis for measuring and analyzing the complex shaped building.

3D laser scanning; complex shaped building measuring; three dimensional modeling; accuracy evaluation

P237

A

0494-0911(2017)01-0112-03

崔磊，张凤录，钱林.三维激光扫描支持下的复杂异型建筑物测量[J].测绘通报，2017(1)：112-114.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0024.

2016-07-25

崔 磊(1984—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为三维激光扫描和工程测量。E-mail: cuilei125@163.com