基于地面三维激光扫描的三维竣工规划核实技术研究

(重庆市勘测院，重庆 400020)

基于地面三维激光扫描的三维竣工规划核实技术研究

胡章杰，薛梅

(重庆市勘测院，重庆 400020)

介绍了一种利用地面三维激光扫描技术来辅助建设工程的规划竣工核实的技术路线。研究了内业数据处理的相关技术，详细介绍了微地形提取流程和规划竣工核实的主体建筑物立面轮廓特征线提取技术。利用从点云数据中提取的相关特征，采取交互式建模的方式进行三维建构筑物建模，最后将地面三维激光扫描的成果整合到三维规划竣工核实应用中。

地面三维激光扫描；规划竣工核实；微地形；特征提取；交互式建模

1 前 言

近年来，随着经济水平及测绘技术的提高，地面三维激光扫描作为一种现代高科技逐渐在规划、测绘等领域得到研究与应用，相比于传统测绘手段的数据采集与处理方式，地面三维激光扫描技术具有很多无可替代的优点。本文将研究该技术在三维规划竣工核实中的应用，提高建筑规划管理的精度、时效性和高效性。

建筑规划竣工核实是对已竣工建筑的整个项目进行的审核工作，根据城市规划管理部门批准的规划建筑红线图、总平面图、规划用地红线图，对已竣工建筑项目的尺寸、高度、层数、间距、退让以及平面位置进行实地核实并测算总体指标，为工程验收和评定工程质量提供依据，是城市规划行政主管部门对已批准的建筑工程进行规划监督检查的重要环节。

三维规划竣工核实主要利用传统的测绘手段获取1∶500地形图，提取地物几何特征，综合正射影像图、照片提取地物纹理特征进行三维建模。这种方式进行竣工三维建模工作量很大，而且无法完全真实还原建筑物屋顶、窗台等细部特征。所以，研究更加快捷、精确的建筑物三维建模技术和方法是当务之急[1]。

三维激光扫描技术的特点能够满足三维规划竣工核实业务的应用需求。它是规划竣工核实的发展趋势，具有模型精度高、外业时间短的优势，不仅适合三维规划竣工许可指标的核实，还可以对三维模型竣工测量时的尺寸、色彩和小区环境等进行快速采集。目前国内外还没有采用地面三维激光扫描技术来辅助三维规划竣工核实的研究应用，本文将探讨针对三维规划竣工核实的技术路线。

2 研究背景

2.1 三维规划竣工核实的主要研究内容

传统建设工程规划竣工核实的主要指标有:规划与竣工方案对比；±0层标高分析；角点坐标分析；建筑面积分类统计；建筑物立面分析。传统的规划竣工核实不论是表达方式还是展示效果都不直观，判读性差。研究三维规划竣工核实，进行全空间三维数据采集、建立三维可视化模型、设计符合规划竣工核实应用特征的用户接口，为城市规划审批、监督管理与项目竣工验收提供服务，有利于提高表现效果、技术水平和工作效率。三维规划竣工核实主要研究内容包括:高精度的竣工地理空间数据、快速有效的数据采集方法以及科学直观的应用集成。

选择合适的数据采集精度是三维规划竣工核实首先要解决的问题。精度选择过低，无法满足规划审批工作的需要；精度选择过高，必然增加成本。综合考虑各个方面因素，将地物根据其重要性分成两类:主要建(构)筑物，其他建(构)筑物和地貌、地物。因规划竣工核实的主体是竣工建筑物，其测量精度应提高到图根点的精度:±5 cm，其他建(构)筑物和地貌、地物不作为竣工核实的主体，其测量精度满足数字化地形图测量精度即可。利用地面三维激光扫描技术，使用Rigel VZ1000，测量精度(100 m距离，单点测量) ±5 mm，能够满足三维建设工程规划竣工核实数据采集精度的要求。此外，三维规划竣工核实角点分析就需要对建筑物的拐角进行精确测量。利用地面三维激光多基站扫描的措施保证竣工建筑物细部点的测量精度，同时还解决了建筑竣工全站仪测量时有些地点测量人员不能到位，用棱镜采集不到数据等问题。

地面三维激光扫描还具有外业数据采集速度快的优势，大大节约了现场时间。采集工作强度小，几分钟内扫描仪就能自动完成一个区域面积内的三维点云的采集。不需要接触被测物体，在光线昏暗的环境中甚至在黑夜中均可作业，特别是能对表面复杂的物体进行外形测量。采集到的三维点云模型能转换成CAD系统或不同软件操作平台的数据格式，进行三维建模[2]和管理。

最后，将三维规划竣工核实的指标如何科学直观的展现出来也是一个重要的研究内容。

2.2 地面三维激光扫描的研究现状

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的，是继GPS以来，测绘领域的又一次技术革命。目前，部分发达国家已经比较成熟地将三维激光扫描技术应用于机载激光测高和城市三维影像模型建立等方面，国内一些专家学者或测绘单位也已经做出了许多相关的研究及尝试，并取得了很有价值的研究成果。我国在863计划的支持下，大力发展三维激光扫描成像的信息获取技术，目前对机载激光扫描系统的研究已经相对成熟，而对地面三维激光扫描系统的研究还处于发展阶段，也是国际研究的一个热点。尽管激光扫描技术已经有十几年的发展历史，相应的硬件问题已基本上得到解决，也有不少成熟的商用系统，但在数据处理方面的研究还相对比较落后，特别是直接从点云数据中提取实体特征信息和对目标分类的研究比较缺乏。北京航空航天大学和广西桂能信息工程有限公司分别利用地面三维激光扫描进行古建筑数字化和山海关长城修复工程，均取得了良好的效果。长安大学地测学院利用Leica地面三维激光扫描进行了黄河小浪底枢纽工程出水大坝三维可视化模型重建，滑坡体的变形监测，三维景观模型重建等工作。

本文提出了基于点云的微地形提取流程和规划竣工核实的主体建筑物立面轮廓特征线提取技术。

3 技术路线

三维激光扫描应用于规划竣工核实的技术路线主要分为外业数据采集、内业数据处理和与规划竣工核实平台整合三大部分。如图1所示:

图1 技术路线

3.1 控制点布设及目标点云采集

外业数据采集包括标靶及控制点布设与测量和数据全景扫描两部分工作。在外业数据采集时，通常一个区域的点云数据采集需要很多测站来完成。不同测站的测量数据拼接到一起就需要标靶来完成，根据扫描仪测程，需要在各相邻测站重合的位置布设标靶以供点云拼接需要。控制点的平面坐标和高程测量可以采用RTK测量。

3.2 点云拼接与影像配准

为了构建目标完整的三维模型，需要选择不同的视点对目标进行扫描。因此点云拼接就是将从不同视点获取的激光点云数据统一到某个固定的坐标系中。本文所有的实验数据采用的是基于标靶的全自动点云拼接算法[3]。利用数字影像可以提供丰富的光谱信息和真实的纹理信息，采用基于图像配准的方法将激光点云和数字影像相结合。图2是小区的激光点云经过多站拼接和影像配置后的成果。

图2 激光点云数据

3.3 点云分类滤波、抽稀、微地形提取

从激光点云中提取微地形对三维重建有重要的作用，首先需要对原始的激光点云数据进行分类滤波，去除车辆、行人、树木等因素的影像。由于点云数据过于密集，还应该对数据进行抽稀处理，提高后期点云数据处理的效率。某些测区由于植被过于密集，从点云中提取微地形则需要采用多次迭代分类滤波的方式来进行微地形的提取，微地形提取的主要方法如图3所示:

图3 微地形提取主要方法

3.4 特征提取

规划竣工核实的目标建构筑物往往是规则而复杂的几何体，直接从处理好的点云数据中提取这些特征目前没有很成熟的技术。为了减少建模的数据量，提高建模的效率，需要从点云数据中提取一部分特征，后续建模依赖这些特征构建出精确的三维模型。此外还需对整个建构筑物的点云数据进行三角构网，从而得到三维模型的总体外观，指导精细建模。建筑物的特征提取包括建构筑物骨架特征提取、建筑物立面轮廓提取以及窗户阳台楼顶等细节特征提取[4]。建筑物立面轮廓提取是整个三维模型重建精度的关键，其主要流程如图4所示。图5展示了该技术提取轮廓线的最终效果，从图中可以看出:最后提取出来的轮廓线条与点云数据几乎全部拟合，只有极少部分线条最终需要人工校对和调整，采用这种方法保证了建筑物轮廓提取的精度。

图4 建筑物立面轮廓提取主要流程

图5 建筑物轮廓提取效果

3.5 高精度建模与应用集成

首先利用建筑物横截面特征和微地形生成建筑物粗模，然后三维制作人员使用三维仿真软件进行人工交互式高精度三维建模[5]。最后利用外业采集的数字图像，进行三维纹理映射。本文采用Rigel配套的RiSCAN和Geomagic对点云进行内业处理，将成果数据导入到3Dmax进行三维建模和纹理映射，还包括对植被、道路、附属设施进行建模，最后将这些三维模型与生成的微地形集成到三维规划竣工核实平台，系统集成效果如图6。

图6 集成的三维规划竣工核实平台

4 建设规划竣工核实应用

(1)规划与竣工方案对比:包括对规划和竣工后的模型进行分屏对比分析、竣工后模型与工程总平面图叠加展示以及规划和竣工后三维模型的叠加分析。从而判断总平面图上建筑是否全部完成，是否存在多建或少建；是否存在移位。图7为规划和竣工后三维模型的叠加分析，其中蓝色区域代表竣工建筑物部分超出规划范围，红色区域代表竣工建筑物部分未达到规划尺寸。通过三维展现的方式能够直观的对竣工后建筑进行审核。

图7 叠加分析

(2)±0层标高分析:根据给定值，搜索竣工后超限±0层标高，并定位到建筑物模型。图8为系统中包含±0层标高分析的报表截图。

图8 建筑工程竣工比较分析表

(3)角点坐标分析:根据搜索竣工后角点坐标是否在允许误差范围内，并定位到角点。该功能能够准确反映竣工后建筑物角点与规划图中的偏移量和偏移方向，图9展现了该功能。

(4)建筑面积分析:按栋分类统计建筑面积，给出总建筑面积。对照竣工测量报告和建设工程规划许可证和设计条件，判断总建筑面积是否超规划许可证面积和容积率；对照审批的施工图和三维规划竣工报表中的面积进一步核实每栋、每层建筑面积存在的差异。图10为三维规划竣工系统建筑工程建筑面积汇总报表。

图9 角点坐标分析

图10 建筑面积汇总表

(5)控高分析:设置建筑控制高度，超过设定控制面部分即为超高，并直观的展示超高部分，核实每栋建筑层数和高度。图11反映高程为480 m的控高分析效果图。系统中超过蓝色控制面部分即为超高。

(6)立面图:画一条两点线，沿该线方向生成左侧建筑物立面图。真实还原竣工核实，现场核实建筑外立面是否与规划相符。现场对照外立面的色彩、材质等是否与许可或外立面审查意见相符。

图11 控高分析

5 结 论

地面三维激光扫描技术能够快速获取高密度高精度的目标空间信息，具有扫描速度快、数据信息量大、精度高等特点，完全能够满足建设工程规划竣工核实的应用需求。采用地面三维激光扫描技术来辅助规划竣工核实，实现了建筑规划管理的精细化和科学性，并突破了规划竣工核实对传统1∶500地形图测量成果的依赖，有利于建筑规划管理。本文重点研究了基于点云的微地形提取流程和规划竣工核实的主体建筑物立面轮廓特征线提取技术，有效利用了地面三维激光扫描高精度的特点，并在建筑物特征提取方面取得了有价值的研究成果。同时地面三维激光扫描技术的应用也存在不足:如数据采集过程中植被密集等问题；扫描目标建筑物顶部细节不够丰富；点云数据处理量大和数据处理效率不够高。相信随着技术的发展，地面三维激光技术将会更加有效的服务于建设工程的规划竣工核实。

[1] 宗庆，杨留方.城市规划核实测绘的新方法[J].城市勘测，2010(01)：129-131.

[2] 黄承亮，向娟.三维激光扫描技术应用于建筑物建模的测量方法研究[J].城市勘测，2011(01)：87-90.

[3] 郑德华.ICP算法及其在建筑物扫描点云数据配置中的应用[J].测绘科学，2007(02)：31-32.

[4] 杨洋，马一薇，杨靖宇.基于车载激光扫描数据的窗户提取与重建技术[J].海洋测绘，2010(03)：48-51.

[5] 梁欣廉，张继贤，李海涛.基于机载激光雷达数据的简单规则建筑物模型重建[J].中国图象图形学报，2007 (04)：641-647.

The Research on Terrestrial 3D Laser Scanning in the 3D Verification of Comp leted Planning

Hu Zhangjie，Xue Mei
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020)

This paper introduces a terrestrial 3D laser scanning technology to aid in the verification of completed building planning.Research the data processing technology of indoor work，described in detail the technical solutions of the three-dimensional tiny terrain reconstruction and building outline extraction.And use point cloud data to extract relevant features，take a method of interactive modeling for the 3D building structures modeling.Finally，integrate the results of terrestrial 3D scanning to the three-dimensional verification of completed building planning application.

terrestrial3D laser scanning；verification of completed building planning；tiny terrain；feature extraction；interactivemodeling

1672-8262(2013)01-15-06

：P232

：A

2012—06—12

胡章杰(1983—)，男，工程师，主要从事3D GIS的开发研究工作。