建筑物日照分析测量研究

陈永星 王蕾

郑州市规划勘测设计研究院，河南 郑州 450000

建筑物日照分析测量研究

陈永星 王蕾

郑州市规划勘测设计研究院，河南 郑州 450000

简述建筑物日照分析测量时代要求和技术方法现状，介绍了三维激光扫描技术的工作原理和发展，提出三维激光扫描技术与日照分析测量相结合的技术话题。

日照分析；全站仪；三维激光扫描仪；点云数据

Abstract

the building sunshine analytical measurement requirements and technical method of3D laser scanning technology, introduces the work principle and the development, proposed the 3D laser scanning technology and sunshine analytical measurement combining technical topics.

Keywords

the sunshine analysis；tachometer；3 d laser scanning；the point cloud data

1 引言

随着社会经济的快速发展，人们生活水平的提高，对生活环境的质量要求越来越高，建筑物采光问题成为城市规划发展中投诉的焦点。长期以来，因为日照采光而引起矛盾甚至导致法律纠纷的事件屡见不鲜，这些大多是由于在设计或审查阶段日照分析得不够科学准确的原因。日照分析涉及到时间、地域、建筑造型等多种复杂因素，要将这些相互影响的因素综合起来进行人工精确计算分析是非常困难的。而随着城市化的进程加快，城市规划容积率也越来越大，建筑物越来越密集，很多地方因此造成的纠纷也越来越严重，城市规划部门在建设规划审批前对日照分析测量的要求就越来越高。

2 传统日照分析测量方法

平面位置测量多为采用全站仪数字化测绘，建筑物标高测量多采用普通水准测量联合全站仪三角高程测量，悬高测量或钢尺量测等方法。这些常规的技术该文不再累述。

3 新方法新思路的探讨

地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表，有人称“三维激光扫描系统”是继GPS (Global Position System)技术以来测绘领域的又一次技术革命。它突破传统数据采集的局限性，通过高速激光测量的方法，快速、精确、大量地获取物体表面每个采样点的三维空间坐标，为科学准确建立数据模型提供了一种全新的技术手段。随着科学技术的不断发展，三维激光扫描技术在数字城市建设中的应用越来越受到人们的关注，它可以快速精确的获取城市建筑物等三维几何信息，为建设数字城市提供了科学数据，具有重大的现实和历史意义。

三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量,直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度,自动存储并计算,获得点云数据。最远测量距离一千多米,最高扫描频率可达每秒几十万,纵向扫描角θ接近90°,横向可绕仪器竖轴进行360°全圆扫描,扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机,外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。点云数据经过计算机处理后,结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。

图1 地面三维扫描仪

点云坐标测量原理如下图所示。被测点云的三维坐标在三维激光扫描仪确定的左手坐标系中定义,XOY面为横向扫描面,Z轴与横向扫描面垂直。

图2 点云坐标测量原理图

地面三维激光扫描系统主要由三部分组成:扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD 和仪器内部控制和校正系统等。在仪器通过两个同步反射镜快速而有序地旋转,将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间(或者相位差)来计算距离,同时内置精密时钟控制编码器,同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ,因此任意一个被测云点P的三维坐标为:

激光扫描系统的原始观测数据除了两个角度值和一个距离值，还有扫描点的反射强度I，用来给反射点匹配颜色。拼接不同站点的扫描数据时,需要用公共点进行变换,以统一到同一个坐标系统中，公共点多采用球形目标。

点云数据以某种内部格式存储, 因此用户需要厂家专门的软件来读取和处理,OPTEC 的ILRIS-3D 软件,Cyrax 2500的yclone 软件,LMS-Z420 的等都是功能强大的点云数据处理软件, 它们都具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。

我们知道传统的三维数据获取主要有:单点采集三维坐标的方法，如GPS 高精度定位、三维坐标测量机、全站仪系统等;基于光学摄影测量原理的近景摄影测量、航空摄影测量等。三维激光扫描技术与全站仪等单点采集三维数据的方法相比：

（1）对被测目标要求不同。全站仪要只能测量反射棱镜所在位置的点位坐标，被测物体必须是棱镜能够到达的地方，难以对危险区域或测量人员难以到达的区域进行测量。而三维激光扫描不需要接触被测物体就可以工作。

（2）对观测环境的要求不同。全站仪因为需要瞄准棱镜，必须在白天或者较明亮的地方进行测量。而三维激光扫描测量可以全天候的进行测量。

（3）测量精度不同。三维激光扫描仪和全站仪的单点定位精度都是毫米级的，三维激光扫描仪的定位精度比全站仪略低，但是目前部分全站式三维激光扫描仪已经可以达到全站仪的精度，满足日照分析测绘的精度是足够的。

（4）获取数据的量不同。全站仪只能够有限度的获取目标的特征点。

而三维激光扫描仪可以获取高密度的观测目标的海量数据，采样速率高，对目标的描述细致。

在日照分析测绘中，利用三维激光扫描仪获取的建筑物点云数据, 然后提取得到建筑物较为精确的边界，从而确定建筑物的整体轮廓。点云数据经过预处理后，求出平面之间的交点，得到建筑物的顶点坐标，在AutoCAD软件中可以将这些顶点显示出来，得到建筑物的总体轮廓线，以此进行三维建模，获取建筑物的三维数字虚拟仿真模拟。规划建筑的平面位置图、层高、总高、室内外高差、户型图等数据从项目委托方获取。获取数据之后，检查数据的的完整性和真实可靠性，根据甲方提供的规划建筑的平面位置及高度数据建立模型；计算规划区域新建高层建筑的客体建筑范围。

基于现今三维激光扫描技术特别是点云数据处理技术和软件尚不成熟，三维激光扫面仪动辄数十万甚至百万的价格，在城市日照分析测量中作为一种常规方法尚不现实。但是作者深信随着技术的发展，仪器生产成本的下降和点云数据处理技术的完善，三维激光扫描仪将在城市规划测绘技术中得到更多的应用。

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陈永星(1983-),男，助理工程师，主要从事城市测量工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.018