三维激光扫描技术和低空无人机在异形建筑竣工测量中的应用

李文国

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

1 前 言

随着建筑设计及施工技术的发展，出现了越来越多的异形建筑。异形建筑顾名思义即特殊形状的建筑体，主要指建筑幕墙表面整体的形态呈曲面而表现出较为特殊的立面及空间效果，展现出极强的视觉冲击力和感染力。针对一般建筑的竣工测量，因外轮廓垂直地面、平面形状较为规整，采用传统仪器方法即可完成数据采集，如全站仪、GPS-RTK。但是传统的测量方法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[1]，难以全面反映异形建筑在空间的连续变化情况，尤其是外轮廓呈现为曲面、剖面为曲线的异形建筑，若继续采用传统测量方法，不仅工作量大，而且测量难度也大。

三维激光扫描技术突破了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，为异形建筑的竣工测量提供了很好的解决方案。由于三维激光扫描技术具有良好的技术特性，已逐步应用于各相关领域，部分学者探索过三维激光扫描技术在异形建筑、结构复杂建筑、超大规模建筑竣工测量中的应用研究[1～3]，该方法在异形建筑物的竣工测量中具有无可替代的优势[1]。

近年来，低空无人机航测技术快速发展，具有便利性强、成本低、功能多、灵活性高的特点[4]，在获取正射影像图、三维建模、智慧城市建设、城市规划、应急救灾等方面都有广泛的应用，为解决工程领域的难题提供了新的解决思路。有学者研究过无人机在地形图测绘中的应用[4～6]，可满足规划竣工地形图的精度要求，能够极大地提高地形图绘制效率，同时获取直观影像，既丰富了竣工测量成果，也为立面图的绘制、面积分层计算提供了很好的判别依据。因而，针对异形建筑的竣工测量，将三维激光扫描技术和低空无人机航测技术结合起来，既可以解决异形建筑物信息获取问题，又可以提高作业效率，是一个值得研究的方向。

2 三维激光扫描技术在异形建筑竣工测量中的应用

2.1 三维激光扫描竣工测量流程

三维激光扫描技术是一种全自动高精度立体扫描技术，可以深入到任何复杂环境中进行扫描操作，大面积、高分辨率的快速获取被测对象表面的三维坐标数据。针对异形建筑表面特征点数据不易准确获取的情况，可利用地面三维激光技术获取建筑物密集点云数据，并辅助传统全站仪测量方法，通过相关技术手段精确、快速地绘制建筑物平面、立面等图形。作业流程如图1所示。

2.2 异形建筑分层面积计算

异形建筑剖面外轮廓一般为曲线或斜线，分为外倾斜或内倾斜。根据面积计算相关规范，建筑物墙体有内倾斜、曲线等非垂直面墙体构成，按层高在 2.20 m以上，或无法直接测量层高时按其室内净空 2.10 m以上部分(含 2.10 m)的水平投影计算全部建筑面积；建筑物墙体外倾斜时，超出底板外沿的，按底板外沿计算全面积[7]。外倾斜面积计算与内倾斜面积计算如图2、图3所示。

图1 三维激光扫描测量作业流程

图2 外倾斜面积计算

图3 内倾斜面积计算

采用三维激光扫描技术获取异形建筑点云数据后，利用切片法获取分层平面点云，剔除噪声点云后采用拟合法对提取出的平面点云拟合出轮廓走向，得到分层平面图，进而计算出各层建筑面积。

2.3 异形建筑立面图制作

立面图表示出的内容应能体现出建筑造型的特点，主要由能表现出建筑物基本形状和重要特征的轮廓线构成。常规建筑的外轮廓垂直地面、平面形状较为规整，立面图绘制较为简单，异形建筑的外轮廓为曲线或不规则斜线，常规绘制方法需经全站仪采集数据并经内业拟合，无法准确表达立面特征，且绘制复杂，可基于点云数据进行特征提取，经局部修补即可生成精确的立面图。具体流程如图4所示：

图4 立面图绘制流程图

3 低空无人机在异形建筑竣工测量中的应用

低空无人机作为一种现阶段较为成熟的低空对地观测手段，具有易于操控、获取影像周期短、作业机动性强等特点。基于上述特点，利用无人机倾斜摄影测量技术，通过航线交叉飞行，可以获取 1∶500竣工地形图、正射影像图、三维影像图，相对于常规测量方式，不仅能提升生产效率，还能为规划竣工验收提供更为丰富、直观的数据信息，辅助行政审批部门管理决策。低空无人机航空摄影辅助竣工测量流程如图5所示。

图5 低空无人机航空摄影辅助竣工测量流程

4 应用案例

4.1 工程概况

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心(以下简称“审协广东中心”)隶属国家知识产权局专利局，位于中新广州知识城，审协广东中心鸟瞰图如图6所示，总占地面积 66 669 m2，包括多幢异形建筑体，总建筑面积近20万平方米。审协广东中心采用GRC内外一体式幕墙体系，建筑物外轮廓呈现为曲面、剖面为曲线，其外廓带有曲面、斜面和退层，并有一定的倾斜角度，作为规划竣工验收测量重要成果的建筑平面和立面信息数据，使用常规测量方法难以获取。

图6 审协广东中心鸟瞰图

4.2 作业流程

审协广东中心建筑体造型独特、结构复杂，为获取准确的数据，采用了三维激光扫描技术、低空无人机航空摄影测量技术，利用广州市规划基础信息平台，生成建筑物平面位置关系图、竣工测量地形图、面积计算示意图、立面线图，测量流程如图7所示。

4.3 面积计算

本工程利用RIEGL VZ-400三维激光扫描仪获取建筑物海量点云数据，后期采用RiscanPro及3ds Max处理点云数据，采用弯管目镜辅助全站仪三角高程法测量各层建筑物标高，如图8所示，得到各层楼高。根据建筑物墙体内外倾斜不同情况，设置不同的切片高度，如图9所示，切片获取分层平面点云，经处理后拟合平面轮廓，进而计算得到各层建筑面积。

图7基于三维激光扫描、低空无人机技术的竣工测量流程

图8 点云切片标高设置

图9 分层切面线生成

4.4 绘制立面图

将已提取的建筑物特征点云导入3ds Max中，通过建筑物CCD数字图像等辅助信息，对特征点云经人机交互特征追踪进行连接。经过上述操作之后，特征点集被转换为轮廓线集，实现了建筑物的立面模型重建。此外，由于树木等障碍物的遮挡，建筑物特征线会出现空洞或断续现象，则根据CCD数字图像、实测尺寸等信息对空洞区域或未连接的部分进行修补和连接，从而构建出完整的建筑物立面线划图，如图10所示。

图10 建筑物立面线划模型生成

4.5 制作影像图、竣工地形图

采用瑞士生产的ebee无人机系统对审协广东中心地块进行低空航空摄影测量，现场使用随机飞控软件设置飞行区域、划分航线，分辨率设置为 5 cm，旁向重叠与航向重叠均为70%，飞行模式为交叉飞行，以便制作三维模型。飞行一个架次，共生产25条航线，飞行时间约 30 min。外业飞行完毕后，利用eMotion2软件和Postflight Terra 3D软件后处理航片，生产三维模型和正射影像图，基于EPS平台辅助制作竣工测量地形图，正射影像图如图11所示。

图11 正射影像图

经综合采用三维激光扫描技术、低空无人机航空摄影测量等测量方法，最终生产的成果包括控制测量资料、面积计算资料、竣工测量平面图、竣工测量立面图、竣工测量地形图、正射影像图、三维模型，提高了工作效率，为行政审批部门提供了翔实的现场数据。

5 结 语

随着城市化进程的加快，施工技术的进步，异形建筑以其独特的面貌出现在世人面前，在带来视觉冲击的同时，也给竣工测量带来了挑战，传统竣工测量方式已无法满足审批部门对精度、时效、规划管理的需求。本文以审协广东中心为实例，介绍了三维激光扫描技术、低空无人机应用于异形建筑竣工测量的思路和方法，利用三维激光扫描技术进行建筑面积测量、立面图测制，采用低空无人机航空摄影测量技术进行竣工地形图测量、三维模型与正射影像图制作，解决了异形建筑物分层面积计算及平面图、立面图、竣工测量地形图绘制问题，提高了工作效率。