徐亚军，谢海荣，袁小军，车红磊

(南通市测绘院有限公司，江苏 南通 226006)

随着城市建设不断加速，各城市争相建设形式多样的标志性建筑，使得外形新颖、构造独特的异形建筑涌现在各个城市的新区、新城、CBD。异型建筑在给人们带来视觉享受的同时，给建设施工、质检验收也带来了新的难度和挑战，异型建筑特征点难以选取，内业成图各构筑物要素不易表达，难以全面反映异型建筑在空间的连续变化情况[1- 2]。

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是一种新型全自动高精度立体扫描技术，可以在复杂的现场环境中进行扫描操作，为异型建筑检测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，进而快速重构出实体目标的三维模型及点、线、面、体、空间等各种数据，通过海量点云数据进行各种尺寸量算[3- 5]。

南通中央商务区某幢建筑物是非常典型的异型结构建筑物(如图1、图2所示)，该幢建筑物共计30层,屋面高度为128.75 m，结构已封顶；其轴柱为圆柱，每根轴柱由1层至30层，总体呈“S”形，在每层分布有轴柱16根，每根柱直径、倾斜角度均不一致。本文以该建筑轴柱检测为例，介绍如何应用三维激光扫描仪进行异型建筑物施工轴线检测，为其他类型建筑物提供借鉴。

1 外业数据采集

1.1 控制点布设

为保证各层扫描数据具有较高精度的绝对坐标及内符合性，综合考虑该建筑周边地形、地貌等情况，采用自由坐标系布设控制点，在该建筑物9层和该建筑物东南约140 m处建筑物26层分别选取1个点位，作为整个项目的平面控制点。

在建筑物每层选取一个工作基点，以新布设的平面控制点采用极坐标法进行点位观测，为减少测距、测角带来的影响，每层工作基点均选取在上下楼层相对应的位置。

利用每层的工作基点和平面控制点，在每层布设不少于3个测量控制点，并采集三维坐标[6- 7]。

1.2 施工轴线联测

利用1层布设的工作基点，采用极坐标法采集施工轴线的坐标，建立施工坐标系与自由坐标系之间的位置关系。

1.3 测站布设

本项目以层为单位进行三维激光外业扫描，扫描对象为各层16根轴柱(如图3所示)。扫描前先对每层的环境进行踏勘，清理柱子周边障碍物，去除障碍物噪点；同时确定扫描仪和标靶球布设的位置，确保轴柱点云完整性，保证有足够的点云数据反映轴柱的空间位置和姿态。

扫描时对仪器进行整平，为确保测量的精度要求，将扫描分辨率设置为高档，每站扫描结束后，现场检查数据扫描质量，对不合格的进行重新扫描。为了保证后续工作顺利完成，在测站上做好观测记录，确认相关工作无误后，仪器移到下一测站进行扫描。

1.4 标靶布设

本次扫描采用的是球形标靶和平面标靶。外业数据采集时，在扫描对象附近至少摆放3个球形标靶，相邻两扫描站的公共标靶个数不少于3个，同时根据需要对球形标靶进行了精扫。为了提高点云精度，每层均采取闭合环方式进行扫描作业。

2 内业数据处理

2.1 点云配准

由于各测站有至少3个公共的球形标靶，故采用Trimble RealWorks软件自动提取球形标靶中心[8]，实现点云自动配准，配准残差在1 mm左右，如图4所示。

将配准后的点云数据通过控制点转换，统一到自由坐标系下。各层扫描数据配准精度见表1。

表1 各层测站数与配准精度

2.2 精度验证

由施工轴线联测建立的施工坐标系与自由坐标系之间位置关系，将自由坐标系下的点云统一到施工坐标系中，为确保轴柱检测数据的精度，须对获取的点云数据进行精度验证。本文对该异型建筑物核心筒检测坐标与设计坐标进行对比，验证核心筒的平面绝对位置精度[9]，来评估点云数据的可靠性。核心筒检测值与设计值较差中误差为11 mm，具体见表2。

表2 核心筒平面绝对位置精度统计

2.3 轴柱柱底圆心获取

根据采集的点云数据，对每层每个轴柱建立三维模型，主要提取每个轴柱的点云，自动拟合最符合实际情况的圆柱，提取圆柱轴线，再求出圆柱轴线与楼层结构地坪平面的交点坐标，即轴柱柱底圆心坐标。如图5所示。

2.4 设计比对

根据建立的施工轴线与自由坐标系间的位置关系及委托方提供的施工图纸， 推算出每层每个柱子与楼层结构地坪相交面的圆心坐标，并与设计圆心坐标进行对比，计算坐标分量偏差，最终数据应归算至施工坐标系下，具体成果见表3。其中较差ΔX为正表示测量柱底圆心较设计位置偏北，反之偏南；较差ΔY为正表示测量柱底圆心较设计位置偏东，反之偏西。

3 结 语

三维激光扫描技术是一种实景复制技术，其具有非接触、全自动数据获取速度快，精度高的优势。本文将三维激光扫描技术应用于异型建筑物施工轴线检测中，可获取异型建筑物完整点云，这是传统测量手段无法实现的，并通过精度评估，在生产中验证了其可行性与可靠性，为三维激光扫描技术在工程中的应用积累了经验，后续提高数据处理自动化水平是进一步研究方向[10]。

表3 异型建筑物某层柱体垂直度检测成果