三維激光掃描在舊建筑物改造中的應(yīng)用

1、三位激光掃描在舊建筑物改造中的應(yīng)用摘要：本文提出將三位激光掃描技術(shù)應(yīng)用于舊建筑物改造過程中；三位激光掃描技術(shù)能夠快速、高效、高精度的獲取測(cè)量目標(biāo)的表面三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速、高效的獲取舊建筑物的高精度平面、立面、剖面圖，為舊建筑物改造設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算、造價(jià)等提供基礎(chǔ)。結(jié)合工程實(shí)例，分析總結(jié)三維激光掃描在舊建筑物改造中應(yīng)用的一般流程和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法。關(guān)鍵詞：三維激光掃描；舊建筑物改造；點(diǎn)云；1 引言 隨著時(shí)間的推移，許多舊辦公樓出現(xiàn)了不同程度的飾面老化，設(shè)施落后、屋面漏水等問題。同時(shí)隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能化水平的不斷提高，辦公方式也發(fā)生了翻天覆地的變化，老舊辦公建筑的空間布局與現(xiàn)代辦公的需要顯得

2、格格不入，以至于不能很好的滿足現(xiàn)代辦公的需求所以一些職能部門辦公樓的硬件設(shè)施亟需重新建設(shè)。在這種情況下，大部分地區(qū)對(duì)這些辦公樓采取的措施就是簡(jiǎn)單的拆除重建，不僅造成了環(huán)境污染，同時(shí)也造成了巨大的資源浪費(fèi)。隨著人們生對(duì)環(huán)境污染認(rèn)識(shí)的提高和資源危機(jī)意識(shí)的增強(qiáng)，社會(huì)上對(duì)舊建筑再利用的呼聲也日益高漲，有計(jì)劃的對(duì)舊建筑進(jìn)行適應(yīng)性改造及再利用是大勢(shì)所趨，而平面圖，立面圖和剖面圖是舊建筑改造的根本。平、立、剖面圖可以為建筑物改造重新設(shè)計(jì)，制定改造方案，改造工程量初步計(jì)算等提供依據(jù)。傳統(tǒng)的繪制建筑物平立剖面圖的方法有如下幾種：一是用皮尺量取建筑物長(zhǎng)度，層高等建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)幾何關(guān)系進(jìn)行繪制，這種方法投入的儀器設(shè)備

3、少，不受場(chǎng)地影響，但所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)少，人工費(fèi)用高，精度低，效率低。二采用全站儀獲取建筑物三維坐標(biāo)，配合野外繪制的草圖并使用相機(jī)拍攝圖片然后進(jìn)行繪制。這種方法投入設(shè)備多，人員多，工作量大且在人流量、車流量大的地區(qū)不易測(cè)量，存在一定的人員安全風(fēng)險(xiǎn)。地面三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度的立體掃描技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體真實(shí)、完整和精確的三維復(fù)制，為快速獲取建筑物平面圖、立面圖和剖面圖數(shù)據(jù)提供了一種全新的技術(shù)手段。2 三維激光掃描儀工作原理三維激光掃描儀的主要

4、構(gòu)造是由一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)從而可以進(jìn)行測(cè)距，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。如果測(cè)站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。以Riegl VZ-400三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進(jìn)行垂直方向掃描，水平方向則以伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑

5、反向傳回到接收器，可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值。三維激光掃描測(cè)量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標(biāo)。 圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理圖 圖2 地面激光掃描儀測(cè)量的基本原理 （1）3 外業(yè)掃描三維激光掃描應(yīng)用于舊建筑物改造過程中的作業(yè)流程，如圖3所示。 圖3三維激光掃描作業(yè)流程3.1外業(yè)踏勘為了對(duì)實(shí)際工程進(jìn)一步的了解，更為了制定有效可行的技術(shù)實(shí)施方案，必須對(duì)實(shí)地建筑及周邊環(huán)境進(jìn)行踏勘巡視，根據(jù)建筑物的高度、掃描儀的仰角及掃描儀的掃描距離和遮擋情況確定掃描位置

6、。由于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)建筑物內(nèi)部踏勘也是非常重要的。在踏勘過程中，應(yīng)了解實(shí)地建筑具體構(gòu)型，查看建筑物周邊環(huán)境形態(tài)，根據(jù)目標(biāo)建筑物的實(shí)際情況及項(xiàng)目的要求。初步制定三維激光掃描路線，合理擬定布設(shè)掃描站點(diǎn)。3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集建筑物平面、立面、剖面圖不要求絕對(duì)坐標(biāo)，所以不需要與控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。但對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的相對(duì)距離要求較高。在具體從某一方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行掃描時(shí)，測(cè)站布設(shè)要保證兩兩測(cè)站之間至少有15%30%的重疊，便于后續(xù)內(nèi)業(yè)點(diǎn)云匹配，建筑物外立面掃描時(shí)測(cè)站間距最好保持在50m100m，每測(cè)站距建筑物距離不應(yīng)太大，控制在100m左右，保證精度；注意掃描作業(yè)時(shí)， 應(yīng)確保所選擇的測(cè)站能完全覆蓋測(cè)區(qū)范圍

7、測(cè)站需要且將建筑物包圍。建筑物內(nèi)部掃描時(shí)，由于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似需采用標(biāo)靶球，擺設(shè)標(biāo)靶球時(shí)注意在各相鄰測(cè)站重合的位置布設(shè)3個(gè)以上形成不規(guī)則圖形的標(biāo)靶球，便于后期點(diǎn)云配準(zhǔn)。由于常規(guī)的建筑在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性，門窗結(jié)構(gòu)的尺寸的統(tǒng)一性，而照片可以確定建筑的總體樣式， 門窗之間的拓?fù)潢P(guān)系 細(xì)節(jié)照片能夠顯示建筑附屬物相關(guān)信息，因此為了后期繪圖方便，在對(duì)建筑物掃描的同時(shí)也用高清數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑物進(jìn)行拍照。4 數(shù)據(jù)處理及成果圖繪制4.1點(diǎn)云配準(zhǔn)在對(duì)建筑物內(nèi)部進(jìn)行掃描時(shí)，由于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一站掃描不可能獲取一層建筑物的全部信息，而不同掃描站獲得的點(diǎn)云分別存在于各自的測(cè)站坐標(biāo)系，因此需要將各個(gè)測(cè)

8、站的測(cè)站坐標(biāo)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。同樣對(duì)建筑物外立面掃描時(shí)以一站掃描也無法獲取目標(biāo)建筑物的全貌，也需要將各個(gè)測(cè)站的局部坐標(biāo)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。點(diǎn)云配準(zhǔn)一般分粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)。首先是粗配準(zhǔn)，粗配準(zhǔn)是基于兩站建筑物幾何特征（或標(biāo)靶球）的配準(zhǔn)，選取兩站的至少三對(duì)同名點(diǎn)，以匹配點(diǎn)對(duì)的幾何特征為依據(jù)，計(jì)算剛體變換矩陣，進(jìn)而完成粗配準(zhǔn)。粗配準(zhǔn)只是將多個(gè)局部坐標(biāo)系的點(diǎn)云大致地對(duì)齊到同一個(gè)坐標(biāo)系中，精度不高。粗配準(zhǔn)結(jié)束，采用ICP最近點(diǎn)迭代算法精確配準(zhǔn)，提高配準(zhǔn)精度。4.2成果圖繪制（1）平面圖繪制用三維量測(cè)方法繪制平面圖。該方法是作業(yè)人員在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中以立體觀測(cè)模式選取點(diǎn)、面，然后進(jìn)行立體模式特征

9、點(diǎn)提取并進(jìn)行測(cè)量，在量測(cè)中，同一采集尺寸測(cè)量3次，每次測(cè)量的誤差小于0.4cm，取3次平均值作為量測(cè)數(shù)據(jù)。三維量測(cè)作業(yè)模式如圖4所示。根據(jù)測(cè)量結(jié)果在天正軟件中進(jìn)行繪圖。首先繪制墻體，勾畫出建筑平面尺寸，平面尺寸需與外立面的尺寸統(tǒng)一，然后根據(jù)門窗在外立面圖上的位置， 繪制不同層平面圖，并根據(jù)建筑的實(shí)際情況， 繪制墻體軸線并標(biāo)注。圖4三維量測(cè)作業(yè)模式（2）立面圖繪制用制作切片投影描圖方法繪制外立面圖。該方法首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割和抽稀制作切片，然后進(jìn)行投影，以DXF格式導(dǎo)出，并導(dǎo)入到AutoCAD中進(jìn)行描圖。點(diǎn)云切割是把完整的點(diǎn)云分割成若干個(gè)相互獨(dú)立的點(diǎn)云塊，可對(duì)單個(gè)塊進(jìn)行編輯和操作，其它塊不會(huì)參與運(yùn)

10、算，這樣可以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率。由于點(diǎn)與點(diǎn)之間有空隙，在正視圖和后視圖中，前后的點(diǎn)云會(huì)重疊在一起， 造成視覺混亂；在左視圖和右視圖中，也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。為了消除前后點(diǎn)云對(duì)視覺的影響，可以采用切片的方法解決。在不影響繪圖精度的情況下，對(duì)制作好的切片進(jìn)行抽稀，以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，然后在抽稀后的切片上選擇不在一條直線上的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平面擬合，擬合出來的平面就是投影面。然后將切片數(shù)據(jù)以.pts格式導(dǎo)出并導(dǎo)入到laserscan（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院研發(fā)的軟件）軟件中進(jìn)行投影，以DXF格式導(dǎo)出。然后導(dǎo)入到AutoCAD中進(jìn)行描圖。制作好的切片如圖5所示。立面圖繪制也可以采用三維量測(cè)模式進(jìn)行繪圖。

11、圖5 制作好的切片（3）剖面圖繪制天正或斯維爾軟件可以根據(jù)繪制好的平面圖直接生成剖面圖。首先將繪制好的各平面圖保存為各自的文件到一個(gè)文件夾內(nèi)（平面圖的對(duì)象必須要使用天正工具繪制的，比如墻體要用天正墻體工具畫，用線條畫不能生成立面和剖面的）；點(diǎn)擊側(cè)欄天正工具條的文件布圖工程管理，點(diǎn)下拉箭頭新建工程，在下面的樓層表里根據(jù)所繪制的平面圖建立樓層表，取名存盤；點(diǎn)擊側(cè)欄天正工具條的剖面建筑剖面，建立剖面線和選擇剖面線。然后按提示操作即可生成剖面圖。剖面圖繪制也可以采用三維量測(cè)模式進(jìn)行繪制。5 工程案例現(xiàn)以廣州市海珠區(qū)某辦公建筑群為例，該建筑群有五棟十層的辦公樓，辦公樓里的小隔間大部分已經(jīng)拆除。在項(xiàng)目中，

12、采用Riegl VZ-400和Focus3D X 330三維激光掃描儀，高清數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。同時(shí)采用相應(yīng)配套點(diǎn)云處理軟件RiSCAN PRO和 SCENE進(jìn)行三維量測(cè)和切片制作。然后采用AutoCAD和天正軟件進(jìn)行繪圖。5.1 外業(yè)掃描由于本次測(cè)繪項(xiàng)目的建筑物外立面和建筑物平面圖不要求有連續(xù)性，所以不需要布設(shè)控制網(wǎng)。本次掃描投入兩臺(tái)三維激光掃描儀分別是 RiegL VZ-400、Focus3D X 330三維激光掃描儀，為提高工作效率加快野外作業(yè)分兩組進(jìn)行掃描作業(yè)。由于被掃描建筑物周圍環(huán)境復(fù)雜，布設(shè)的測(cè)站要包圍建筑物保證掃描到建筑物的各個(gè)立面，RiegL VZ-400掃描儀測(cè)量距

13、離遠(yuǎn)、掃描速度快，因此用RiegL VZ-400掃描儀對(duì)建筑物外立面進(jìn)行掃描，用Focus3D X 330三維激光掃描儀掃描建筑物內(nèi)部。由于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)測(cè)站不可能掃描完一個(gè)樓層，建筑物內(nèi)部相似性高，所以對(duì)建筑物內(nèi)部掃描作業(yè)時(shí)要擺設(shè)標(biāo)靶球，需要在各相鄰測(cè)站重合的位置布設(shè)3個(gè)以上形成不規(guī)則圖形的標(biāo)靶，以供點(diǎn)云拼接需要。建筑物內(nèi)部掃描時(shí)，結(jié)構(gòu)相同的樓層只對(duì)一個(gè)樓層進(jìn)行掃描，不同結(jié)構(gòu)的樓層要逐層進(jìn)行掃描。掃描作業(yè)時(shí)要畫作業(yè)草圖記錄測(cè)站的相對(duì)位置，以供點(diǎn)云拼接需要。5.2 繪制成果圖用上述繪圖方法分別繪制平面、立面、剖面圖。成果圖如下圖所示。本項(xiàng)目從簽訂合同到項(xiàng)目介紹共10天，外業(yè)一天半。內(nèi)

14、業(yè)一周成圖，成圖檢查半天，修補(bǔ)測(cè)一天。內(nèi)業(yè)成圖外立面20幅，平面圖20幅，剖面圖10幅，其中內(nèi)業(yè)成圖只有三個(gè)人，一個(gè)人是第一次接觸點(diǎn)云成圖。三維激光掃描技術(shù)極大地提高了作業(yè)的效率。 圖6平面圖 圖7立面圖 圖 8剖面圖6結(jié)束語由于土地和經(jīng)濟(jì)等多方面原因今后，我國(guó)至少大城市的舊建筑物改造的份額將逐漸增多。本文提出將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于舊建筑改造過程總，解決了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)獲取舊建筑數(shù)據(jù)效率低，數(shù)據(jù)精度不夠高且無法準(zhǔn)確體現(xiàn)舊建筑立面現(xiàn)狀的問題。三維激光掃描技術(shù)極大的提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的效率，減小了測(cè)繪工作者外業(yè)的工作強(qiáng)度并確保了數(shù)據(jù)質(zhì)量。如何提高三維激光掃描內(nèi)業(yè)成圖效率，減少人工輔助測(cè)量及如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化成圖是以后的重點(diǎn)研究方向。 參考文獻(xiàn)1 王峰, 林鴻, 李長(zhǎng)輝. 地面三維激光掃描