3D掃描技術(shù)在房屋檢測工作中的應用探討

■ 王 磊 Wang Lei

1 概述

近年來，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，三維掃描設備也逐漸商業(yè)化。3D掃描儀可以快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)，從而可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。目前，3D掃描儀已經(jīng)成為當前研究的熱點之一，在文物數(shù)字化保護、土木工程、工業(yè)測量、自然災害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領域有廣泛的應用[1]，但在房屋檢測工作中的實用性研究還比較少。3D掃描儀能否在房屋檢測工作中有效應用，首先應解決3D掃描儀測量的精確度問題。為此，有必要對3D掃描儀測量結(jié)果的不確定度展開研究，以期為實際工作提供技術(shù)依據(jù)。

2 影響測量結(jié)果不確定度的因素及不確定度量值

測量不確定度是指測量結(jié)果變化的不肯定，是表征被測量數(shù)據(jù)的真值在某個量值范圍的一個估計，是測量結(jié)果含有的一個參數(shù)，用以表示被測量值的分散性[2]。不確定度是評定測量結(jié)果質(zhì)量高低的一個重要指標。不確定度愈小，測量結(jié)果的質(zhì)量愈高，使用價值愈大，其測量水平也愈高；不確定度愈大，測量結(jié)果的質(zhì)量愈低，使用價值愈小，其測量水平也愈低[3]。

在房屋檢測工作中，影響3D掃描儀測量結(jié)果不確定度的因素主要包括測量距離、環(huán)境光線、重復測量、測量對象尺寸大小、激光掃描儀分辨率等。本課題將對此進行試驗研究，找出上述因素與不確定度間的規(guī)律。

2.1 測量距離對測量結(jié)果的不確定度2.1.1 試驗方案

（1）首先用檢校合格的相對精密儀器（游標卡尺）測量試驗對象的尺寸，近似作為3D掃描儀測量數(shù)據(jù)的真值。

（2）在保持環(huán)境光線、測量對象等外部條件不變的情況下，計劃性按照1 0、2 0……1 0 0 m等距離掃描試驗對象的尺寸。

（3）根據(jù)3D掃描儀測量結(jié)果，從絕對誤差及相對誤差角度分別分析測量距離對誤差的影響程度，找出3D激光掃描儀最佳測試距離。

（4）在確保環(huán)境光線、測量對象尺寸大小、激光掃描儀分辨率等可控因素影響測量結(jié)果最小的時候，重復（1）、（2）步驟，確定測距對測量結(jié)果的影響程度，給出測距對測量結(jié)果引起極限誤差的范圍。

2.1.2 試驗結(jié)論

由大量的鋼球及鋼管掃描試驗可知，在測量尺寸超過100mm的構(gòu)件時，ScanStation C10徠卡3D激光掃描儀最佳測試距離為60～70m。在保證置信概率為95%時，正常工作條件下，由測距引起的掃描儀測量結(jié)果不確定度u1=2.79mm。

2.2 環(huán)境光線對測量結(jié)果的不確定度

3D掃描儀在房屋檢測領域中應用時，多為白天或夜晚的自然光線，因此，課題研究時將對3D掃描儀在白天和夜晚工作環(huán)境下的掃描結(jié)果進行對比。

在90組掃描鋼管直徑及90組掃描鋼球?qū)Ρ仍囼灁?shù)據(jù)中，白天及夜晚掃描結(jié)果的差值（絕對值）≤1mm的共有84組及87組，分別占總數(shù)的93.3%和96.7%。另外，考慮到徠卡3D激光掃描儀精度為1mm，可見在白天及夜晚自然光線條件下，環(huán)境光線對管徑掃描結(jié)果準確度的影響較小，可忽略不計。

2.3 構(gòu)件尺寸對測量結(jié)果的不確定度

在保證最佳測試距離及較高掃描分辨率的條件下，對不同截面尺寸鋼管或鋼球進行掃描試驗，得到以下主要結(jié)論。

（1） 3D掃描儀測試直徑＜100mm以下的鋼球或鋼管（即測試構(gòu)件尺寸＜100mm）時，測量數(shù)據(jù)離散性較大（即標準差較大），因此采用3D掃描儀測試尺寸超過100mm的構(gòu)件較為適宜。

（2）在最佳測試條件下，3D掃描儀測試直徑超過100mm的鋼管或鋼球時，絕對誤差多＜1.5mm，基本呈現(xiàn)構(gòu)件尺寸越大，絕對誤差就越大的規(guī)律（經(jīng)分析，當鋼管及鋼球直徑越大時，制造誤差及外界環(huán)境對構(gòu)件形狀影響就越顯著，這是導致尺寸較大構(gòu)件絕對誤差相對較大的主要原因）；而相對誤差基本呈現(xiàn)構(gòu)件尺寸越大相對誤差就越小的規(guī)律。

（3）在保證置信概率為95%時，正常工作條件下，由構(gòu)件尺寸引起掃描儀測量結(jié)果的不確定度u2=1.08mm。

2.4 掃描分辨率對測量結(jié)果的不確定度

掃描分變率指的是被掃描物體表面激光信息點的距離。ScanStation C10徠卡3D激光掃描儀掃描分辨率共包括3種工況：①中等密度，10cm/100m（發(fā)射點到接收點距離100m時被掃描物體表面激光信息點與點之間的距離是10cm）；②高密度，5cm/100m；③超高密度，2cm/100m。正常情況下，采用較高的掃描分辨率耗時較長但精度較高，探討掃描分辨率對誤差的影響可以平衡時間成本及測量結(jié)果精度這一對矛盾因素。經(jīng)過試驗研究，可得到如下結(jié)論。

（1）中密度掃描分辨率適用于近距離且尺寸較大構(gòu)件的掃描，受掃描距離及構(gòu)件尺寸的限制，不建議在房屋檢測工程中使用。

（2）在正常工作條件及保證測得結(jié)果誤差概率為95%的情況下，高密度分辨率引起測量結(jié)果不確定度u3-1=2.01mm。

（3）在正常工作條件及保證測得結(jié)果誤差概率為95%的情況下，超高密度分辨率引起測量結(jié)果不確定度u3-2=0.56mm。

2.5 重復測量對測量結(jié)果的不確定度

采用3D掃描儀開展測量工作，由于每次重復測量次數(shù)及測量對象都有不同，為了統(tǒng)一給出3D掃描儀的測量結(jié)果不確定度（包含各種因素引起的不確定度）及展伸不確定度，近似采用如下案例重復測量引起的不確定度作為常規(guī)重復測量引起不確定度的估計值。通過試驗，可近似認為常規(guī)重復測量引起不確定度估計值u4=0.74mm。

2.6 合成不確定度及合成展伸不確定度

為了正確給出測量結(jié)果的不確定度，應根據(jù)上述研究成果及統(tǒng)計學理論，全面分析影響測量結(jié)果的各種因素，從而列出測量結(jié)果的所有不確定度來源，做到不遺漏、不重復。假定傳遞系數(shù)為1，設uc為合成不確定度，ui為各直接測得量Xi的標準不確定度，則：

根據(jù)公式1，在正常檢測工作中，①在高密度掃描分辨率工作條件下，可得出各種因素對3D掃描儀測量結(jié)果合成不確定度為3.70mm，合成展伸不確定度為7.25mm（置信概率為95%）；②在超高密度掃描分辨率工作條件下，可得出各種因素對3D掃描儀測量結(jié)果合成不確定度為3.13mm，合成展伸不確定度為6.13mm（置信概率為95%）。

3 3D掃描技術(shù)在房屋檢測工作中的應用

從ScanStation C10徠卡3D掃描儀測量結(jié)果不確定度的研究結(jié)論可知，3D掃描儀的測量精度在部分工程領域中的應用是能夠滿足相關要求的，如優(yōu)秀歷史建筑測繪、大跨結(jié)構(gòu)撓度曲線測量等等。在房屋檢測的實際工作中，經(jīng)常會遇到傳統(tǒng)的檢測方法無法開展工作的情況，如角部為弧形的房屋傾斜測量、層高較大且登高較困難的結(jié)構(gòu)檢測、大跨度構(gòu)件撓度測量等。3D掃描儀可以打破上述不利條件的限制，解決房屋檢測過程中傳統(tǒng)檢測方法難以實現(xiàn)的難題。

3.1 掃描技術(shù)在優(yōu)秀歷史建筑測繪中的應用

同濟中學圖書館暨楊浦區(qū)圖書館（圖1）位于黑山路181號，原為舊上海市立圖書館，是1929年7月上海特別市政府頒布的“大上海計劃”中重要的一環(huán)。由于經(jīng)費原因，董大酉設計的原上海市圖書館并沒有按其設計藍圖實施，僅完成一半的體量規(guī)模就投入使用（即為舊上海市立圖書館）。淞滬會戰(zhàn)時因受到戰(zhàn)事紛擾，建筑被挪為他用，也沒有機會再復建完善?？箲?zhàn)勝利后，圖書館一直為同濟中學使用，曾被用作教學樓、宿舍和體育活動室等，目前已空置。房屋于1994年2月15日被上海市人民政府批準為上海市第二批優(yōu)秀歷史建筑，保護類別為二類；2004年2月25日被上海市楊浦區(qū)人民政府核定公布為上海市楊浦區(qū)“區(qū)級文物保護單位”。隨著上海市文化事業(yè)的蓬勃發(fā)展，楊浦區(qū)委、區(qū)政府決定將圖書館修繕擴建作為楊浦區(qū)圖書館新館，工程將按建筑師董大酉最初的設計構(gòu)想恢復建設成為一棟完整的建筑物。由于房屋歷史建筑結(jié)構(gòu)相關圖紙遺失，特采用3D掃描儀測繪房屋外立面（圖2）。

采用3D掃描儀并結(jié)合傳統(tǒng)檢測方法可大大提高測繪的精度，避免搭設登高設備，縮短施工工期并節(jié)約施工成本。3D掃描儀測繪圖書館外立面，不僅如實反映了房屋的美觀及古樸，更重要的是外立面、門樓歇山式重檐、特色保護圖案及花飾測量精度高，為后續(xù)維修提供可靠的依據(jù)和支持，受到業(yè)界一致好評。

3.2 掃描技術(shù)在大跨結(jié)構(gòu)撓度變形測量中的應用

夏特裝飾材料（上海）有限公司一期生產(chǎn)車間約建于2002年，3層框架結(jié)構(gòu)，局部1層排架結(jié)構(gòu)。房屋用地場區(qū)內(nèi)地形較平坦，屬濱海平原地貌；場地分布區(qū)原為農(nóng)田，屬古河道切割區(qū)，場地內(nèi)有明暗浜分布。受場地內(nèi)暗浜影響，車間竣工后房屋沉降變形較明顯，目前最大累計沉降量已達258.9mm。由于車間鋼梁跨度較大達25m，鋼梁離地坪高度約15m，鋼梁的撓度變形程度對房屋后續(xù)正常使用及屋面結(jié)構(gòu)安全性至關重要，因此必須對屋面鋼梁的撓度變形進行測量。

采用3D掃描儀測量鋼梁撓度變形可大大提高測量結(jié)果的精度，避免搭設登高設備，縮短施工工期并節(jié)約施工成本（部分測量結(jié)果見圖3）。屋面鋼梁撓度變形結(jié)果表明，鋼梁中部撓度變形約為-22～71mm，小于規(guī)范（CECS 102：2002）“鋼梁撓度限值L/240”的要求。通過鋼梁的撓度變形測量結(jié)果，可判定目前鋼梁使用狀況良好，后續(xù)可正常使用。

圖1 同濟中學圖書館全貌

3.3 掃描技術(shù)在大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)測繪中的應用

上海理工大學體育館為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建于2000年前后。體育館為大空間設計，部分為1層，屋面為大跨度弧形鋼網(wǎng)架。因客觀原因現(xiàn)無法找到原始設計圖紙，需對大跨度弧形鋼網(wǎng)架進行測繪。由于鋼網(wǎng)架為弧形造型且高度較大，傳統(tǒng)檢測方法無法對鋼網(wǎng)架進行精確測繪。3D掃描儀不但可以解決上述難題，克服傳統(tǒng)檢測方法的弊端和盲區(qū)，提高檢測精度，而且避免了搭設登高設備，從而縮短了工期且大大降低了成本。通過Cyclone軟件數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，把模型導入CAD平面中，精確測量繪制網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面圖見圖4。

3.4 掃描技術(shù)在膜結(jié)構(gòu)測繪中應用

南環(huán)S36高速公路朱涇收費站為6車道收費站，采用傘形膜面鋼骨架結(jié)構(gòu)平面尺寸34.2m×16.8m，頂部共計6個傘面。從建成至今已使用6年左右，由于長期處于室外暴露環(huán)境，受光照、溫度、風雨等外界自然環(huán)境影響較大，加之使用過程中部分位置缺乏必要的養(yǎng)護，據(jù)南環(huán)高速公路管理部門反映，收費站鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)已出現(xiàn)不同程度的銹蝕及老化現(xiàn)象，個別位置損傷嚴重。現(xiàn)場采用3D掃描技術(shù)測繪膜結(jié)構(gòu)的布置是評估結(jié)構(gòu)使用狀況的重要一環(huán)，掃描結(jié)果見圖5。

圖5中，張拉膜結(jié)構(gòu)等高線分布均勻、對稱，疏密變化緩慢，過渡光滑，無重疊交叉等高線，說明當前膜面應力較為均勻，應力過渡平緩，無膜面應力過度集中現(xiàn)象，膜結(jié)構(gòu)可繼續(xù)使用。

3.5 掃描技術(shù)在建立三維模型及動畫制作中的應用

2012年12月10日14時，位于浦江鎮(zhèn)陳行公路1188號的上海東閔制衣有限公司（原陳行服裝一廠）的一幢廠房在內(nèi)部裝修過程中，中部5個開間發(fā)生部分坍塌，只余下西側(cè)3個開間和東側(cè)4個開間。為了解局部倒塌后房屋的實際現(xiàn)狀，為事故原因分析和后續(xù)處理提供客觀依據(jù)，需對其進行檢測記錄。由于房屋現(xiàn)處于危險狀態(tài)，未倒塌部分有隨時倒塌的可能，故現(xiàn)場作業(yè)存在一定的風險；而傳統(tǒng)的記錄方式為拍照片記錄，很難全面、形象地記錄倒塌的現(xiàn)狀。

采用3D掃描技術(shù)及后處理軟件，可在不進入倒塌現(xiàn)場內(nèi)部的條件下，建立倒塌房屋三維模型及動畫現(xiàn)場（圖6），為倒塌房屋現(xiàn)狀保存及記錄提供基礎數(shù)據(jù)支持。

圖3 20軸鋼梁撓度變形圖

圖4 鋼網(wǎng)架3D掃描平面圖

3.6 掃描技術(shù)在圓角房屋傾斜測量中的應用

房屋傾斜變形狀況是評價基礎承載力及使用狀況的重要指標之一，通常測量房屋角部棱線傾斜狀況是檢測工作中重要一環(huán)?，F(xiàn)實中有很多房屋為追求建筑造型美觀而角部為圓弧形，導致房屋角部傾斜狀況無法測量。3D掃描技術(shù)可解決上述問題，通過對房屋的外墻面進行擬合，把擬合后的墻面進行延生相交（圖7），經(jīng)相交后生成虛擬棱線，對虛擬棱線進行傾斜測量，得出相應的房屋圓角處兩個立面的傾斜量。

圖5 朱涇收費站膜面等高線示意圖

圖6 現(xiàn)場掃描記錄倒塌房屋三維圖像

4 結(jié)語

綜上所述， 3D掃描儀可應用于優(yōu)秀歷史建筑測繪、大跨結(jié)構(gòu)撓度曲線測量、圓角房屋傾斜測量、建筑三維數(shù)字模型建立與動畫模型創(chuàng)作等領域。3D掃描儀的應用打破了傳統(tǒng)檢測技術(shù)中施工高度及跨度較大、建筑結(jié)構(gòu)造型復雜等制約難題，通過點云模擬等數(shù)字手段展示出其快速、準確、高效的技術(shù)特點。今后，3D掃描技術(shù)的應用還將進一步擴展，如結(jié)合BIM等軟件，充分開發(fā)其后處理的強大功能，爭取在房屋檢測領域中開辟更多的應用空間。

建筑保護和使用的數(shù)字時代已經(jīng)來臨，3D掃描技術(shù)打開了智能數(shù)據(jù)采集的大門，必將在數(shù)字化土木發(fā)展的洪流中發(fā)揮更大的作用。

圖7 3D掃描技術(shù)虛擬生成相鄰立面角部棱線

參考文獻：

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