三維激光掃描儀在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

三維激光掃描儀在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：三維激光掃描儀作為一種新的空間數(shù)據(jù)獲取手段，可高速、高精度獲取物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值和紋理信息。本文論述三維激光掃描儀工作原理、工作流程，并概述了三維激光掃描技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；建筑；應(yīng)用1引言三維激光掃描技術(shù)是誕生于生于上世紀(jì)九十年代的一項(xiàng)高新技術(shù)，經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，該技術(shù)日趨成熟。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，利用激光測(cè)距原理，以每秒數(shù)萬乃至百萬次的測(cè)量速度，快速獲取物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、反射率和紋理等信息，并通過計(jì)算機(jī)加工處理，可以快速構(gòu)建被測(cè)物體的點(diǎn)、線、面以及三維模型等各種信息1］。以其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在工業(yè)制造、工廠改造、規(guī)劃、建筑、文物古跡保護(hù)、軍事等領(lǐng)域得到了大量的嘗試與應(yīng)用。就建筑領(lǐng)域而言，無論是文物古跡維護(hù)，還是當(dāng)代建筑改造，都需要反映建筑現(xiàn)狀的圖紙等測(cè)繪信息，而對(duì)于重點(diǎn)文物古跡的測(cè)繪，往往需要采用非接觸測(cè)量方式。三維激光掃描技術(shù)無疑為獲取建筑較完整的信息提供了完美的技術(shù)支持與保障。2三維激光掃描原理與特點(diǎn)目前，三維激光掃描儀的種類繁多，但其構(gòu)成大致相似。三維激光掃描儀主要由激光測(cè)距儀和旋轉(zhuǎn)反射棱鏡組成，主流的掃描儀還具備高清數(shù)碼拍照設(shè)備（CCD）。激光掃描儀的工作原理是由激光發(fā)射器主動(dòng)發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，再由均勻旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡引導(dǎo)至物體表面點(diǎn)，信號(hào)經(jīng)物體表面反射后由接收器接收，計(jì)算測(cè)點(diǎn)與掃描儀的距離，同時(shí)角度編碼器同步記錄旋轉(zhuǎn)反射棱鏡縱向測(cè)量角度8和掃描儀水平旋轉(zhuǎn)角度a，由此便可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)值（X，Y，Z）［2］。（圖01）按照激光類型不同，可將三維激光掃描儀分為相位式和脈沖式3］，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。相位式三維激光掃描儀的優(yōu)點(diǎn)是掃描速度快、精度高、點(diǎn)密度大、可以近距離掃描，而缺點(diǎn)是掃描距離相對(duì)較近，通常是幾十米至幾百米。而脈沖式三維激光掃描儀優(yōu)點(diǎn)是掃描距離遠(yuǎn)，以達(dá)到數(shù)公里，其缺點(diǎn)是近距離掃描效果差，掃描速度較慢。按照掃描的距離長遠(yuǎn)，又可劃分為短距、中距和長距離掃描儀。若按照掃描儀搭載的平臺(tái)不同，可劃分為手持、車載、機(jī)載掃描。不同類型的掃描儀對(duì)應(yīng)著不同的應(yīng)用領(lǐng)域，只有根據(jù)需求選擇合適的掃描儀，才能真正發(fā)揮掃描儀的功能。3三維激光掃描儀作業(yè)流程從三維激光掃描儀作業(yè)流程來看（圖02），我們可以將其概括為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、點(diǎn)云應(yīng)用四個(gè)階段[4]iXp-S?COSfi?iXp-S?COSfi?COSct帝=礦E鄧?SINa(%"。頃m三雄澈光掃描仗作業(yè)蒲牌圖03.原始黑色點(diǎn)云皿.正攝愚影像前期準(zhǔn)備階段。該階段所做的主要工作是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況制定詳細(xì)的作業(yè)方案，包括設(shè)站數(shù)量和設(shè)站位置、參考標(biāo)靶的擺放等工作，盡量做到保障測(cè)量精度的前提下，減少設(shè)站數(shù)，節(jié)約掃描時(shí)間，提高作業(yè)效率。數(shù)據(jù)采集階段。該階段就是按照既定的作業(yè)方案完成數(shù)據(jù)采集，在采集過程中如果發(fā)現(xiàn)不合理的地方，要及時(shí)增加或減少掃描測(cè)站，并做好相關(guān)的記錄，保障后期數(shù)據(jù)處理順利進(jìn)彳亍。數(shù)據(jù)處理階段。數(shù)據(jù)處理是整個(gè)流程中較耗時(shí)的，這與采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大小和計(jì)算機(jī)性能有關(guān)。一般，數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云過濾、去除噪聲、數(shù)據(jù)精簡、點(diǎn)云上色等步驟，只有經(jīng)過以上處理才能得到完整的、高質(zhì)量的、可用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云應(yīng)用。點(diǎn)云是包含了物體三維坐標(biāo)值、色彩信息的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要對(duì)點(diǎn)云作進(jìn)一步的加工處理，其主要應(yīng)用方向有原始資料存檔、三維建模、制作常規(guī)二維圖、場(chǎng)景虛擬等。4三維激光掃描儀在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用4.1原始資料存檔對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量，獲取其空間三維數(shù)據(jù)、顏色信息、紋理等方面的數(shù)據(jù)，并建立檔案，是保護(hù)建筑最基本的方法，這為以后建筑物改造或復(fù)原提供了依據(jù)，對(duì)古建筑和文物而言，這尤為重要（圖03）。就測(cè)量手段而言，傳統(tǒng)方式采用直尺、量角器、錘球等工具現(xiàn)場(chǎng)直接量取各種構(gòu)件的尺寸和記錄相應(yīng)的文字信息，到室內(nèi)再繪制出各種圖件。這種方式雖然簡單靈活，但是作業(yè)效率低，對(duì)于建筑物整體尺寸的控制卻不盡人意；而且古建筑中，往往包含雕刻、文字、繪畫等，傳統(tǒng)的方式根本滿足不了完整記錄建筑信息的要求。與此同時(shí)，近景攝影測(cè)量雖然能較好的記錄建筑表面的信息，但是外業(yè)測(cè)量比較耗時(shí)，測(cè)量精度也較差。同以上兩種方式相比，三維激光掃描技術(shù)無論在數(shù)據(jù)采集效率還是獲取建筑信息完整度、測(cè)量精度等方面，都具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)為建筑快速數(shù)字化建檔提供了強(qiáng)有力的支持[5]4.2建筑制圖基于三維激光掃描點(diǎn)云繪制常規(guī)的平、立、剖面二維CAD圖，目前比較流行的方式有兩種［6版：第一種方式是利用處理后的點(diǎn)云生成正射影像（圖04），根據(jù)影像繪制平面圖；這種方式有點(diǎn)類似攝像測(cè)量，但是由于影像沒有透視畸變，因而在精度上要優(yōu)于攝影測(cè)量。第二種方式是將拼合處理后的點(diǎn)云切成薄片，將點(diǎn)云薄片導(dǎo)入CAD等軟件中，根據(jù)點(diǎn)云繪制（圖05）。采用這種方式需要注意控制點(diǎn)云片的密度，理論上密度越大，精度越高，但是數(shù)據(jù)量的增大也對(duì)計(jì)算機(jī)的性能提出了更高的要求。因而，這需要我們?cè)诓粩鄬?shí)踐中尋找到兩者間的平衡。這兩種方式比較而言，第一種方法的優(yōu)勢(shì)是生成正射影像后，圖像紋理清晰，繪制更加簡單，但是在生成的過程中會(huì)有部分精度的損失，耗時(shí)比較長，比較適合于壁畫、彩繪等精細(xì)線劃圖的繪制，第二種方法的優(yōu)勢(shì)則簡單快捷，沒有精度損失，但同時(shí)也因其不夠細(xì)膩，對(duì)壁畫、彩繪等的繪制不盡如人意，適合建筑的平、立、剖面等結(jié)構(gòu)性的線劃圖的繪制，且整體尺寸精度控制較好。4.3構(gòu)建數(shù)字實(shí)體模型構(gòu)建數(shù)字三維模型能直觀的展現(xiàn)建筑風(fēng)貌，可用作效果展示，虛擬漫游等。另外，隨著工程信息化的不斷發(fā)展和建筑信息模型（BIM）技術(shù)的推廣，利用BIM模型實(shí)施工程建設(shè)階段的管理需要結(jié)合高效的測(cè)量手段來檢測(cè)施工質(zhì)量⑻。三維激光技術(shù)能夠有效的鏈接模型和工程現(xiàn)場(chǎng)，高效、完整的記錄工程現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)制情況。通過對(duì)三維激光點(diǎn)云進(jìn)行抽稀、除噪，導(dǎo)入GEOMAGIC、IMAGEWARE.POLUWORKS等專業(yè)軟件中，可直接對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行擬合建模，形成高精度，多種分辨率的三維模型（圖06、07、08、09），并可轉(zhuǎn)換為BIM模，進(jìn)而與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行精度對(duì)比。4.4建筑變形分析對(duì)于建筑變形監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)方式都是在建筑的特征部位埋設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在變形影響范圍外埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，定期觀察監(jiān)測(cè)標(biāo)志相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的變形量。這種基于點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方式可靠程度很大程度上取決于特征點(diǎn)選擇的合理性。而且基于點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方式并不能最大程度反映建筑的最大變形，對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑更是如此?；谌S激光掃描儀的監(jiān)測(cè)方式能夠?qū)ㄖ镞M(jìn)行全方位的測(cè)量［9］，通過兩次掃描數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)而可知建筑整體變形情況（圖10）。

10.表面斐愁會(huì)析4.5智慧城市在智慧城市的建設(shè)中，城市數(shù)字化與信息化是智慧城市重要的組成部分。城市數(shù)字化信息的獲取包括人工測(cè)量、航空影像、衛(wèi)星影像、激光掃描等。三維激光掃描已經(jīng)成為獲取空間信息的主要技術(shù)手段，其特點(diǎn)是獲取速度快、高精度、高密度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高；基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以快速、準(zhǔn)確構(gòu)建二維平面圖與三維實(shí)體模型。同其他手段集成，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用也擴(kuò)展到城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、地表資源獲取、城市建設(shè)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市信息化高度把控。4.6建筑設(shè)計(jì)與3D打印3D打印是目前比較熱門的一項(xiàng)高新技術(shù)，它是一種以數(shù)學(xué)模型文件為基礎(chǔ)，以可粘合物體為原料，采用逐層打印的方式來構(gòu)造物體[10]3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)藍(lán)圖到實(shí)體模型的轉(zhuǎn)換，更加直觀的展示設(shè)計(jì)效果。在舊房改造中，可利用三維激光掃描儀掃描構(gòu)建建筑模型，再根據(jù)模型作規(guī)劃設(shè)計(jì)，結(jié)合3D打印技術(shù)制作出修改后的建筑模型，既可以做效果展示，又能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足。三維激光掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)是目前的前沿技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中還存在不足，但可以預(yù)見的是，這兩項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)相互促進(jìn)，而建筑設(shè)計(jì)也會(huì)由虛擬的三維模型過度到實(shí)體模型的設(shè)計(jì)方式。5總結(jié)與展望三維激光掃描儀突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的方式，采用非接觸測(cè)量方式，高效快速記錄建筑物的外觀、結(jié)構(gòu)、色彩、紋理等信息，對(duì)測(cè)量的對(duì)象進(jìn)行實(shí)景復(fù)制。該技術(shù)不僅能減少外業(yè)工作量，而且利用測(cè)量點(diǎn)云還能快速制作CAD建筑圖紙、構(gòu)建三維模型，進(jìn)而加工成BIM模型。隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展以及制造成本降低，后處理軟件不斷完善，三維激光掃描技術(shù)在建筑領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)［1］楊帆，董景利，薛偉。三維激光掃描技術(shù)及其相關(guān)軟件在建模方面的應(yīng)用［J］。地礦測(cè)繪，2012,28(3):21-23。［2］張宏偉，賴百煉.三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用前景［A］.第四屆“測(cè)繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇”論文精選［C］.2012年。［3］馬立廣。地面三維激光掃描儀的分類與應(yīng)用［J］.地理空間信息，2005,(6)。［4］張啟福，孫現(xiàn)申。三維激光掃描儀測(cè)量方法與前景展望［J］.北京測(cè)繪;2011年01期。［5］白成軍.三維激光掃描在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用［D］.天津：天津大學(xué)建筑學(xué)院，2007。［6］丁寧，王倩，陳明九?；谌S激光掃描技術(shù)的古建保護(hù)分析與展望J］。山東建