淺談三維激光掃描技術與BIM技術在工程測量中的應用

祁春輝

【摘 要】三維激光掃描技術是目前獲取三維空間數(shù)據(jù)最先進的技術之一，該技術可實現(xiàn)非接觸、高速、高精度地獲取實體和實景的三維數(shù)據(jù)，使得外業(yè)測繪的工作效率大大提高，將傳統(tǒng)的點測量轉變?yōu)槊鏈y量，在工程測量中具有較好的應用前景。BIM技術更加突出信息的綜合運用和過程控制，二者的結合為工程測量的三維實景重建提供了更好的技術支持。

【Abstract】3D laser scanning technology is one of the most advanced technologies to obtain 3D spatial data. This technology can realize the 3D data of the entity and the real scene without contact， high speed and high precision， so that the efficiency of field surveying and mapping work is greatly improved. It transforms the traditional point measurement into surface measurement， and has a good application prospect in engineering survey. BIM technology highlights the comprehensive application of information and process control， and the combination of the two provides better technical support for 3D reconstruction of engineering survey.

【關鍵詞】三維激光掃描；BIM；工程測量

【Keywords】3D laser scanning； BIM； engineering survey

【中圖分類號】TU17 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0176-02

1 引言

BIM（建筑信息模型）技術在國內(nèi)的發(fā)展異常迅速，在測量領域也出現(xiàn)了應用的熱潮，在基于虛擬與現(xiàn)實的結合基礎上，BIM技術的成效已經(jīng)凸顯。三維激光掃描技術是實現(xiàn)三維場景重現(xiàn)的技術，該技術被譽為是繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命。三維激光掃描測量技術與BIM技術在工程測量中發(fā)揮著越來越重要的作用，為工程測量帶來了新的改變。

2 三維激光掃描技術與BIM技術

2.1 三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術利用激光測距的原理，記錄物體表面點的三維坐標及反射率等信息，從而在復雜實體或實景中重建目標的全景三維數(shù)據(jù)及模型，它區(qū)別于傳統(tǒng)的單點定位測量技術，是測量數(shù)據(jù)采集的革命性技術突破[1]。三維激光掃描系統(tǒng)包括三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、數(shù)據(jù)處理平臺、電源及其它附件設備等，是一種新型的空間信息獲取方法，利用三維激光掃描技術，最大限度地反映目標實體的真實情況，在任何復雜的環(huán)境或地理空間均可以進行實時掃描，直接實現(xiàn)各類實體或實景三維數(shù)據(jù)的完整采集，快速且完整地重新構建出目標實體的三維模型。而且可對采集的三維激光點數(shù)據(jù)進行各種處理分析，包括測量、分析、模擬、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等操作。三維激光掃描系統(tǒng)的工作過程，實際上就是一個不斷重復的數(shù)據(jù)采集和處理過程。它通過具有一定分辨率的空間點所組成的點云圖來表達系統(tǒng)對目標物體表面的采樣結果。

2.2 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是對確定目標的整體或局部進行完整的三維坐標數(shù)據(jù)測量，即高精度掃描測量，進而得到完全的、連續(xù)的、關聯(lián)的全景點坐標數(shù)據(jù)，這些連續(xù)的點數(shù)據(jù)叫作“點云”，能夠真實描述目標的整體結構及形態(tài)，從而將獲取目標的線、面、體、空間等三維實測數(shù)據(jù)進行高精度的三維重建[2]。三維激光掃描儀的主要構造包括高精度的激光測距儀和伺服馬達轉動儀器，其能夠以均勻角速度轉動。掃描的過程是掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)過目標物體表面漫反射再回到三維激光掃描儀的接收器，掃描的結果是獲得所測目標物體的距離、角度、精密時鐘控制編碼器同步測量激光脈沖橫向及縱向掃描角度觀測值α和θ，即得到目標物的線面等外表特征量的精確測量。三維激光掃描儀的坐標系統(tǒng)如圖1所示。坐標系統(tǒng)為：激光發(fā)射處作為坐標原點，X軸為三維激光掃描儀初始轉動軸，X軸、Y軸、Z軸互相垂直，坐標系構成右手坐標系，Y軸在橫向掃描面內(nèi)，Z軸垂直于橫向掃描面。由此得到目標點參照于掃描儀的相對坐標。

2.3 三維激光掃描技術特性

三維激光掃描技術利用激光的特點和優(yōu)點進行實物或實景掃描，其具有以下一些特性：①三維激光掃描技術對掃描目標實物不需要進行任何處理，采用非接觸掃描方式直接獲取目標的三維數(shù)據(jù)信息，且采集的數(shù)據(jù)真實可靠。②采用三維激光掃描儀的采樣點速率最高可達到數(shù)百萬點/秒，數(shù)據(jù)采樣率高。③三維激光掃描儀掃描過程中不受掃描環(huán)境的時間和空間的限制，實現(xiàn)全時全域測量。④三維激光掃描技術采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，具有全數(shù)字特性，方便數(shù)據(jù)處理、轉換、輸出和共享，數(shù)據(jù)的數(shù)字化和兼容性強。⑤三維激光掃描技術具有掃描數(shù)據(jù)高速、高精度、高分辨率的特點，可獲取海量的點云數(shù)據(jù)，目標掃描實現(xiàn)高密度采集。⑥可與GPS系統(tǒng)配合使用，大大提高了三維激光掃描技術的應用范圍，切實提高了測量數(shù)據(jù)的準確性。

2.4 BIM技術概述

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型），是以三維數(shù)字技術為依托，通過將建筑工程項目建設過程中建筑全生命周期的各類信息進行處理，形成的共享的信息數(shù)據(jù)庫。它能夠將各個階段串聯(lián)起來，通過直觀的、可視的、真實的查詢、提取、更新相關信息，從而為協(xié)同工作提供技術支撐。實現(xiàn)工程項目的設計、實時觀察和數(shù)據(jù)信息變更的同步，是建筑空間數(shù)字化的直接運用[3]。endprint

3 三維激光掃描技術與BIM技術的結合應用

三維重建是指將“點云”數(shù)據(jù)轉化為三維模型，這是三維激光掃描技術與BIM技術結合的核心，也是最終應用成果的集成。隨著對“點云”數(shù)據(jù)研究加深，自動識別“點云”數(shù)據(jù)并轉成三維模型已經(jīng)得到了廣泛的應用。

3.1 地圖的應用

因為計算機的出現(xiàn)，實現(xiàn)了紙質地圖向電子地圖轉化，這是上一次地形圖的革命性的變革，極大地提高了地圖的生產(chǎn)、使用、共享和更新等各領域的工作效率。隨著BIM技術的不斷成熟和普及，三維激光掃描測量的應用，地圖的又一次變革正在發(fā)生。在地圖生產(chǎn)階段，三維激光掃描儀可以每秒采集上百個點，且具有mm級的精度。引入BIM技術的地圖具有可視性、信息量大等特點[4]。BIM是一個信息數(shù)據(jù)庫，存儲各種專業(yè)信息，地圖的識讀非常方便，給數(shù)據(jù)的查詢、提取、編輯相關信息帶來了很大的便利。

3.2 工程測量中的應用

在傳統(tǒng)的測量放樣工作中，測量人員使用的是二維圖紙，放樣前要先計算、檢核放樣數(shù)據(jù)，通過測量坐標、角度、距離等數(shù)據(jù)進行放樣，放樣過程中無法直觀、同步表達不同放樣點間的相對位置和幾何關系，更無法及時找出過程中可能出現(xiàn)的差錯和問題。因為BIM技術的應用，放樣過程得到了簡化，BIM圖紙與測量儀器可以在三維模型中直觀地顯示出來，工作人員可以直接找到個人的放樣點，更方便、直觀得放樣出位置。極大地提高了放樣的工作效率，增加了放樣測量結果精確度。有效控制了工程施工質量，對于提升放樣結果準確度和工程測量整體質量起到極大的促進作用。

3.3 古建筑測繪的應用

利用三維激光掃描技術與BIM技術進行有效對接，實現(xiàn)古建筑從數(shù)據(jù)采集、處理、三維實體模型重建的一整套工作流程。通過掃描測量對古建筑的整體或局部進行高精度測量，從而獲得連續(xù)的、關聯(lián)的點數(shù)據(jù)，即“點云”數(shù)據(jù)，再對“點云”數(shù)據(jù)進行處理，配準、并將數(shù)據(jù)直接導入BIM軟件，建立三維模型。BIM技術能夠對模型進行分析，對古建筑進行測量、計算構件受力等，并不斷擴充和優(yōu)化模型信息，有效管理關聯(lián)的數(shù)字模型。

4 結語

三維激光掃描技術和BIM技術結合所形成的工程測量新方法不斷深化的應用，將測量向科技化、智能化方向不斷拓展，完整地記錄整個測量過程，連通了虛擬與現(xiàn)實，是工程測量信息化的發(fā)展方向。

【參考文獻】

【1】毛方儒，王磊.三維激光掃描測量技術[J].宇航計測技術，2005，25（2）：1-6.

【2】王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應用[D].長沙：中南大學，2010.

【3】李亭亭，吳獻，尹莉，等.BIM技術在工程建設項目中的應用研究[J].土木建工程信息技術，2014（01）：92-96.

【4】許為夷.淺談BIM技術在工程項目管理中的應用[J].統(tǒng)計與管理，2016（06）：148-149.endprint