摘要：针对复杂异型高空大型遗址保护顶棚精密安装测量，鉴于常规全站仪技术施测存在视线受限、效率低且难度极大等问题，本文提出一种基于三维激光扫描的精测方案。利用远程三维激光扫描仪与近程三维激光扫描仪组合进行点云数据采集和无缝拼接，提出一种圆盘空间几何定向建模算法，并导出空间圆拟合算法公式，实施圆盘三维建模及节点坐标提取。通过与全站仪（钢卷尺）的精度对比试验，结果表明：利用本文算法所提取圆盘节点三维坐标的点位RMS优于3.0cm，相邻节点间距RMS优于1.4cm，验证了本文精测方案的可行性，可为复杂异型高空大型顶棚精密安装测量提供一种有益参考。
关键词：三维激光扫描；点云数据处理；空间几何建模算法；精密安装测量
三维激光扫描技术是继GPS之后的又一项全新测绘技术，具有非接触性、速度快、高精度、自动化等独特优势，在精密工程测量领域中广泛应用。
针对复杂异型高空大型遗址保护顶棚精密安装测量，鉴于常规全站仪技术施测存在视线受限、效率低且难度极大等问题，本文提出一种基于三维激光扫描的精测方案，利用远程三维激光扫描仪（RIEGL VZ-1000）与近程三维激光扫描仪（Faro Focus3D X130）组合进行点云数据采集及无缝拼接，实施对顶棚圆盘的精细化扫描与空间几何建模及节点三维坐标提取，并与全站仪（钢卷尺）测量结果进行精度比对试验，验证本文精测方案的可行性，并可为类似项目精密安装测量方案设计提供有益参考。
1 三维激光扫描测量技术
1.1 三维激光扫描测量原理
依据测距原理的不同，三维激光扫描仪可分为脉冲式、相位差式和光学三角测量式等，每种类型扫描仪各有测量优势。
三维激光扫描仪通过激光发射装置发出激光速，经扫描控制单元偏转后入射被测物体表面，根据激光脉冲测距或相位差测距或光学三角测量原理，获得激光光束发射点到被测物体表面的斜距，结合激光束在垂直方向和水平方向的偏转角度，进而计算得出被测物体表面测量点在仪器内部坐标系下的空间三维坐标。
地面三维激光扫描系统利用光学非接触测量方式，可以快速获取被测物体表面高精度的三维原始数据，即点云数据，通过对点云数据的拼接、去噪、分析处理及坐标转换，实现被测物体的三维模型重建。
1.2 圆盘空间几何定向建模算法
1.3 本文精测方案的工作流程
利用三维激光扫描仪进行圆盘节点三维坐标测量的工作流程，可分为熟悉测区、控制测量、外业点云数据扫描采集、内业点云数据处理以及节点坐标提取等。
2 工程实例
周口店遗址位于北京市房山区周口店镇，为保护古遗址洞崛不被风化腐蚀，设计采用空间单层网壳钢结构顶棚作为保护层，覆盖面积达3700余平方米，南北跨度为77.5米，东西跨度54.5米，最大高度达35.7米。遗址保护顶棚主体钢结构十字交叉连接，错综复杂，施工难度较大。
遗址保护顶棚施工分为基础施工、主体钢结构施工和幕墙安装以及绿化。主体钢柱交叉节点上、下处均安装有圆盘底板，用于支撑上、下叶片（每片叶片面积约10平方米）幕墙安装及绿化，其中，接合支撑上叶片的圆盘底板420片，接合支撑下叶片的圆盘底板405片。为精确加工切割用于连接叶片幕墙与圆盘底板的接合杆切面姿态，需准确确定圆盘底板安装姿态，进而实现接合杆与圆盘底板的有效连接。
根据保护顶棚施工技术设计方案，需要确定已焊接于钢结构上的圆盘底板A、B、C、D四点（圆孔中心点）三维位置（相对于施工原点），所设计的圆盘底板如图1所示，其中在扫描过程中所有圆盘上设置1白+3红标志用于定向盘面姿态。
圆1盘实物图
针对复杂异型高空大型遗址保护顶棚精密安装测量，为保证测量精度，本文提出一种利用远程+近程地面三维激光扫描仪相结合方法，对遗址保护顶棚圆盘节点进行点云数据采集及无缝拼接，精确获取关键点云数据，快速高效建立圆盘仿真模型，有效提取节点三维坐标。鉴于施工现场复杂、工期要求紧和整体测量精度要求高，远程地面三维激光扫描仪采用奥地利的RIEGL VZ-1000和近程地面三维激光扫描仪采用美国的Faro Focus3D X130，两台扫描仪相互配合、取长补短完成钢结构保护顶棚内、外侧所有的圆盘底板数据扫描与采集工作。其中，RIEGL VZ-1000地面三维激光扫描仪主要用于从远程扫描钢结构保护顶棚内外侧的圆盘节点的数据扫描与采集工作，在满足扫描精度前提下，尽可能地获取较多圆盘节点点云数据；Faro Focus3D X130地面三维激光扫描仪主要用于从近程扫描钢结构保护顶棚内外侧的圆盘节点的数据扫描与采集工作，获取圆盘节点点云数据。
首先采用GNSS技术联测施工原点布设首级GNSS工程控制网，为钢结构顶棚节点位置及姿态测量提供统一基准。利用GNSS建网布设4个首级GNSS控制点，均匀分布在遗址保护顶棚四个角落，实现整个测区的高精度控制。然后，在首级GNSS控制点上架设全站仪测量传递三维激光扫描仪标靶球中心坐标，为三维激光扫描仪测站之间数据拼接提供公共基准。根据现场测区环境，内外侧扫描测量共设站近50站，点云数据处理采用随机软件，自主编程开发节点坐标批量提取软件，利用公共标靶球实现站与站之间的点云数据拼接，拼接精度优于5mm。每次扫描的数据经过坐标系转换后统一至同一坐标系下，利用公共标靶球实现点云数据坐标系转换，转换精度优于1cm。对拼接后的点云数据进行预处理，包括数据滤波、去噪和平滑处理，并针对圆盘底板建立三维点云模型，实现每个圆盘底板A，B，C，D三维坐标的有效提取。
为附合与评价地面三维激光扫描系统所扫描的保护顶棚圆盘节点测量精度情况，利用免棱镜全站仪在观测环境良好地方抽测部分圆盘节点。对比得出扫描仪测量结果与全站仪测量结果较差在N方向上最大差值是0.021m，最小差值是0.005m，平均差值是0.006m，扫描仪测量N方向RMS为0.014m；在E方向上最大差值是0.020m，最小差值是0.004m，平均差值是0.002m，扫描仪测量E方向RMS为0.014m；在h方向最大差值是0.022m，最小差值是0.002m，平均差值是0.007m，扫描仪测量h方向RMS为0.016m；扫描仪测量获得的点位RMS为0.026m，满足保护顶棚圆盘节点测量设计精度要求。
为进一步附合与评价地面三维激光扫描系统所扫描的保护顶棚圆盘节点相邻关系测量精度情况，利用毫米量级钢卷尺在观测环境允许地方抽测部分相邻圆盘节点之间的距离，并将扫描仪测量结果计算获得的距离值与对应的钢卷尺测量结果进行比对，扫描仪测量结果与钢卷尺测量结果长度较差最大差值26mm，最小差值是2mm，平均差值是3.8mm，扫描仪测量获得的长度RMS为13.2mm，满足保护顶棚圆盘节点测量设计精度要求。
3 结束语
利用常规全站仪方法对大型遗址保护顶棚圆盘节点进行观测，受通视条件限制、效率低且难度极大，而三维激光扫描技术测量速度快、精度高。本文提出一种基于三维激光扫描的精测方案，利用远程三维激光扫描仪与近程三维激光扫描仪组合进行点云数据采集与无缝拼接，提出了一种圆盘空间几何定向建模算法，导出了空间圆拟合算法公式，实施圆盘三维建模及节点坐标提取。对周口店遗址保护顶棚精密安装测量工程实践，结果表明：利用本文算法提取圆盘节点坐标结果点位RMS优于3.0cm，节点间距RMS优于1.4cm，验证了本文精测方案的可行性，可为类似项目精密安装测量方案设计提供有益参考。
参考文献：
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[3]索俊锋，刘勇，蒋志勇 等.基于三维激光扫描点云数据的古建筑建模[J].测绘科学，2017，42（3）：179-185.
论文作者:王海峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/16
标签：圆盘论文; 测量论文; 激光论文; 扫描仪论文; 节点论文; 顶棚论文; 差值论文; 《基层建设》2019年第25期论文;