三維激光掃描技術(shù)在舊房改造設(shè)計(jì)中應(yīng)用
——以琿春陽光小區(qū)為例

劉翰霖 林 楠 劉永吉

(吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院 吉林長春 130118)

0 引言

三維激光掃描儀是近年來新興發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，具有著快速、精準(zhǔn)、方便、非接觸的獨(dú)特優(yōu)勢，這些獨(dú)特優(yōu)勢使得其可以有效解決采集數(shù)字化信息的難題。相較于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)能連續(xù)自動(dòng)地獲取批量數(shù)據(jù)，提高了測量的精度與速度。這些優(yōu)勢使其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括地形測量，古建筑結(jié)構(gòu)測量，變形監(jiān)測，游戲場景制作，文物保護(hù)，電影特技等，是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

基于此，本文首先闡述了三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)來源，然后以琿春陽光小區(qū)為案例，論述其在舊房改造設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

通過查閱相關(guān)資料，獲取德國Z+F IMAGER 5010C型號(hào)儀器操作方法，進(jìn)行實(shí)地踏勘前結(jié)合琿春陽光小區(qū)周邊情況制定合理的布設(shè)方案，如圖1所示。三維激光掃描儀可通過掃描已知坐標(biāo)的2個(gè)或2個(gè)以上標(biāo)靶球進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換自由設(shè)站，也可以在已知控制點(diǎn)上置鏡掃描另外一個(gè)已知控制點(diǎn)上球棱鏡進(jìn)行已知點(diǎn)設(shè)站[1]。

圖1 掃描路線示意圖

傳統(tǒng)測量方式一般采取單點(diǎn)測量方式，而三維激光掃描技術(shù)利用的則是從水平至垂直的步進(jìn)式全自動(dòng)360°掃描測量[2]。在進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，對(duì)樓房掃描數(shù)據(jù)精度影響較大的是它的入射角，當(dāng)入射角超過60°時(shí)掃描數(shù)據(jù)誤差會(huì)急劇增加[3]。數(shù)據(jù)采集可根據(jù)入射角及樓房長度和寬度來確定最大測站間距選擇設(shè)站位置、設(shè)站方式，在設(shè)置好掃描范圍、掃描質(zhì)量、掃描分辨率以及拍照參數(shù)后然后進(jìn)行自動(dòng)掃描。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理一般分為4個(gè)部分，其包含有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換[4]。

在應(yīng)用地面三維激光掃描儀進(jìn)行實(shí)際掃描時(shí)，會(huì)受到人為的或其他因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中或多或少混入了噪聲點(diǎn)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及文獻(xiàn)記載證明，掃描所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)，大約存在0.1%～5%的噪聲數(shù)據(jù)是需要清除，所以在使用這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前，必須要去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所混入的噪聲。去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

根據(jù)噪聲數(shù)據(jù)的高頻率特性，通過設(shè)計(jì)合適的濾波函數(shù)，對(duì)高頻噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。平滑濾波一直是常用的有序點(diǎn)云去噪方法?，F(xiàn)階段數(shù)據(jù)平滑通常采用高斯、平均、和中值濾波算法，如圖3所示。

圖3 三種常見的濾波效果

點(diǎn)云抽稀是在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和濾波處理之后所必需進(jìn)行的操作。通過三維激光掃描儀所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量的，實(shí)施多期數(shù)據(jù)的拼接會(huì)出現(xiàn)很多重疊的區(qū)域，而且重疊面積比較廣。這些重疊區(qū)域在后續(xù)的建模中會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的簡潔性和實(shí)用性，如圖4所示。

圖4 抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

所謂的點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換，是指為了將處理好的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入到建模軟件中經(jīng)歷的必不可少的一個(gè)步驟。輸出的點(diǎn)云文件格式一般為.asc文件，需要將其改為.xyz格式文件，然后導(dǎo)入Autodesk recap 2016，轉(zhuǎn)換為Revit可以使用的兩種點(diǎn)云格式(rcp格式和rcs格式)。

1.2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)定

為了分析拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)的總體精度，利用高精度Lecia TS30全站儀選取建筑物特征點(diǎn)和特征邊，利用極坐標(biāo)測量和對(duì)邊測量的方法，進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)測量和邊長測量，將測量結(jié)果作為真值檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

(1)坐標(biāo)檢查

設(shè)某一特征點(diǎn)的全站儀測量坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0)，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量取的特征點(diǎn)的坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1)，則：

本次試驗(yàn)共選擇了20個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行檢核，觀測數(shù)據(jù)如表1所示，計(jì)算點(diǎn)位中誤差為±0.0239m。

表1 特征點(diǎn)坐標(biāo)與全站儀實(shí)測坐標(biāo)對(duì)比表 m

(2)邊長檢查

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量取10條特征邊長，與全站儀實(shí)際量取值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。通過數(shù)據(jù)比對(duì)計(jì)算所量取特征邊的中誤差為±0.0184m(表2)。

圖5 數(shù)據(jù)對(duì)比柱狀圖

表2 特征邊長與全站儀實(shí)測邊長對(duì)比表 m

從特征點(diǎn)和特征邊的檢查分析結(jié)果可以看出，掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較高，與高精度全站儀測量結(jié)果對(duì)比，誤差均在±5cm范圍，該精度完全可以滿足三維模型建立。

2 研究過程

基于加大住房保障,中央政府高度重視棚戶區(qū)改造,全國各地面對(duì)繁重的改造任務(wù),普遍面臨的難題是資金短缺,影響項(xiàng)目推進(jìn)[1]。在有限的資金和時(shí)間的影響下，傳統(tǒng)的GPS RTK和全站儀等二維測量技術(shù)已無法滿足現(xiàn)實(shí)中施工效率的需要，因此該改造將三維激光技術(shù)引入具體施工中，充分發(fā)揮目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出的快速、連續(xù)、自動(dòng)等特點(diǎn)，整合多種傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，并將其一體化，以快速獲取目標(biāo)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.1 模型重構(gòu)

琿春陽光小區(qū)共有8幢樓，8幢樓設(shè)計(jì)一致，所以只需對(duì)其中一幢樓進(jìn)行建模即可。每一幢樓長約65m，寬約13m，占地面積近900m2。

模型重構(gòu)共分為7步，分別為點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、創(chuàng)建標(biāo)高和軸網(wǎng)、創(chuàng)建墻族、創(chuàng)建門族和窗族、創(chuàng)建樓板、創(chuàng)建樓梯以及創(chuàng)建屋頂。經(jīng)過對(duì)琿春陽光小區(qū)的模型重構(gòu)，可以得到其立體三維模型，并以立面圖形式觀察模型姿態(tài)(圖6)，與外業(yè)實(shí)體觀測照片進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)其合理性和真實(shí)性。

圖6 琿春市舊房三維模型各立面圖

2.2 工程量統(tǒng)計(jì)

在CAD時(shí)代，CAD軟件是無法自動(dòng)計(jì)算工程量的。工程量的統(tǒng)計(jì)有兩種方法：一種方法是需要造價(jià)預(yù)算人員根據(jù)圖紙或CAD文件進(jìn)行手工計(jì)算。這樣既消耗大量的人力和時(shí)間，而且容易出現(xiàn)算量誤差。第二種方法是根據(jù)施工圖紙或CAD文件利用專門的工程算量軟件重新建模，再由計(jì)算機(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量，如廣聯(lián)達(dá)軟件、神機(jī)妙算軟件等，但是也同樣需要不斷更新模型信息，才能獲得有效的工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

而Revit軟件包含了建筑項(xiàng)目各種構(gòu)件的真實(shí)工程量信息，使計(jì)算機(jī)可以快速地統(tǒng)計(jì)和分析工程量，并且減少了復(fù)雜的人工計(jì)算和潛在的錯(cuò)誤。同時(shí)，軟件具有“一處修改、處處更新”的功能，這樣就容易使工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)方案的一致。

琿春舊房改造項(xiàng)目從結(jié)構(gòu)、建筑模型的建立開始，就對(duì)現(xiàn)場的內(nèi)外墻、門窗、樓梯等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)。在進(jìn)行舊房建模時(shí)就按照各構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行1∶1建模，以便在進(jìn)行預(yù)算工程量統(tǒng)計(jì)時(shí)快速有效地按功能類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，減輕了造價(jià)預(yù)算人員在繁瑣的圖紙算量中耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，從而更合理地分析材料的損耗情況和實(shí)際成本使用情況，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算出模板需求量，使該項(xiàng)目造價(jià)預(yù)算人員可以更好地監(jiān)控施工班組的實(shí)際材料及損耗數(shù)量、詢價(jià)以及評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等工作。

表3 原外墻面積統(tǒng)計(jì)表 m2

改造完成后，實(shí)際工程量與原清單工程量對(duì)比，如表4所示。各項(xiàng)差值不大，符合項(xiàng)目要求，達(dá)到了預(yù)算的目的，圓滿完成了工程量預(yù)算的任務(wù)。

表4 工程量對(duì)比清單

3 結(jié)語

作為一種新型工程量統(tǒng)計(jì)方法，基于Revit三維建模的工程量統(tǒng)計(jì)，不僅可以提高統(tǒng)計(jì)的精度和效率，增加可視化效果，而且通過構(gòu)建的三維模型，可以及時(shí)地掌握舊房每一個(gè)位置的集體情況，為現(xiàn)場指導(dǎo)施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，因測量現(xiàn)場施工場地狹小，建筑材料使用量大，材料堆放場地緊張的實(shí)際情況，利用模型軟件在模型中提取材料信息，結(jié)合總體施工計(jì)劃，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)施工階段所需的各類材料使用量，在滿足施工工期節(jié)點(diǎn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，編制出各施工階段所需材料的進(jìn)場計(jì)劃，根據(jù)計(jì)劃提前做好材料的準(zhǔn)備工作，及時(shí)組織材料進(jìn)場，不僅緩解了現(xiàn)場場地狹小帶來的巨大壓力，也減少了材料在現(xiàn)場堆放過程中因儲(chǔ)存或防護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生的損壞和失竊，可靠保證材料一次性到位，減少了材料的二次搬運(yùn)等問題，進(jìn)而達(dá)到了保證工程質(zhì)量、節(jié)約材料和加快施工進(jìn)度的目的。