三維激光掃描技術(shù)在建筑立面施工中的應(yīng)用研究

于 雷，陳 秋

（唐山市規(guī)劃建筑設(shè)計研究院，河北唐山 063000）

作為建筑工程施工的重要組成部分，測量放線結(jié)果的準(zhǔn)確性關(guān)系后續(xù)施工作業(yè)能夠順利開展。隨著測繪領(lǐng)域的發(fā)展，測繪技術(shù)種類不斷增多，其中三維激光掃描技術(shù)具有很強(qiáng)的測量精度，并且非常適宜復(fù)雜環(huán)境條件下的測量，是現(xiàn)階段工程建設(shè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的先進(jìn)測繪技術(shù)之一。特別是還具有測量便捷與效率高等優(yōu)勢，非常適用于建筑立面等高難度的測量實踐中。

1 三維激光掃描技術(shù)的含義

作為一種實景復(fù)制技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)本身是借助激光測距手段，通過對被測量物體表面大量離散點的相應(yīng)坐標(biāo)位置、紋理以及反射率等三位空間信息進(jìn)行高速測量與記錄的方式來講被測物體的空間、面、體等多種類型的三維模型進(jìn)行快速重構(gòu)，或者完成專門制圖數(shù)據(jù)測定的一種高效的測量技術(shù)。與此同時，基于測量所獲取的測繪數(shù)據(jù)可以用來對有關(guān)模型或圖紙進(jìn)行快速還原，所以非常適應(yīng)于完成某些修復(fù)類的工作。比如建筑規(guī)劃領(lǐng)域、住宅工程建設(shè)領(lǐng)域、文物遺址保護(hù)及修復(fù)領(lǐng)域、交通事故責(zé)任認(rèn)定領(lǐng)域、自然災(zāi)害評估領(lǐng)域等等，這些都可以借助三維激光技術(shù)的有效運(yùn)用來確保相應(yīng)的項目操作擁有可靠的測繪數(shù)據(jù)支持。

2 建筑立面施工中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

立面施工是建筑施工的重要組成部分，也是施工難度比較大的一個施工環(huán)節(jié)，具體主要表現(xiàn)為立面施工涉及的施工工序?qū)κ┕y量基準(zhǔn)線的準(zhǔn)確性具有較高要求，否則容易對整個建筑結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定性帶來不利影響，所以在建筑立面施工過程中一個關(guān)鍵的施工作業(yè)環(huán)節(jié)就是要對建筑立面施工做好測量放樣工作。在以往的建筑立面施工過程中，主要采用的測量方法與手段包括工程測繪方法、手工測繪方法、近景攝影測量方法等，如手工測量方法主要是借助掛齒、腳手架針等來對屋脊、墻體以及檐口等部位進(jìn)行測量，以獲取建筑物的高度與長度等可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，或者借助免棱鏡全站儀來對三維建筑物坐標(biāo)進(jìn)行測量，之后配合CAD軟件來對建筑立面圖進(jìn)行繪制，以此可以實現(xiàn)對立面測量數(shù)據(jù)的有效測定，整體測量結(jié)果可靠性高。

相比于這些傳統(tǒng)的測量方法，三維激光掃描技術(shù)這種先進(jìn)測繪技術(shù)主要具有如下方面的突出優(yōu)勢及作用：①對所測目標(biāo)具有比較低的要求。基于全站儀，借助反射棱鏡測量坐標(biāo)的方式需要在棱鏡能夠折射到的位置處防治被測物體，這時候如果測量人員無法所測位置處比較危險，那么就不適宜使用該種測繪技術(shù)。而三維激光掃描技術(shù)可則可以有效解決以上涉及的測量問題，可以實現(xiàn)不接觸被測物體的狀態(tài)下開展測量操作。如果測量現(xiàn)場不適宜人員現(xiàn)場測量，或者現(xiàn)場地勢條件比較復(fù)雜，可能會存在遮擋視線的情況，那么都可以借助該種掃描測量技術(shù)來及時獲取現(xiàn)場測量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，相應(yīng)的測繪結(jié)果準(zhǔn)確性也會大大提升；②對觀測條件與環(huán)境具有比較低的要求。全站儀應(yīng)用中需要借助棱鏡瞄準(zhǔn)開展作業(yè)，所以對測量環(huán)境的光亮程度要求相對比較高，但是這種全新技術(shù)可以用于全天候觀測及測量；③具有比較高的測量精度。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用下的測量定位結(jié)果精度達(dá)到毫米級，可以滿足建筑立面測量工作的精度要求；④具有豐富的測量數(shù)據(jù)獲取量。全站儀僅能夠?qū)τ邢迶?shù)目的特征點的位置信息等進(jìn)行測定，但是基于三維激光掃描技術(shù)的靈活應(yīng)用則可以實現(xiàn)極高的采樣速率，相應(yīng)觀測目標(biāo)具有比較多，所以可以更加細(xì)致的描述所觀測的目標(biāo)。此外，鑒于建筑立面本身的工期比較緊，并且測量工作可能會對城市車輛及行人帶來一定影響，這時候傳統(tǒng)的測繪技術(shù)效率低。但是如果可以靈活應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，那么可以快速、高效地掃描及測量建筑立面，這是傳統(tǒng)測量技術(shù)所無法比擬的巨大應(yīng)用優(yōu)勢。

3 三維激光掃描技術(shù)在建筑立面施工中的應(yīng)用要點

3.1 采集點云數(shù)據(jù)

在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)測量建筑立面過程中，需要嚴(yán)格按照“先外業(yè)，后內(nèi)業(yè)”的流程開展施工測量作業(yè)。鑒于不同掃描儀具有不同的作業(yè)方式，但是它們大都需要按照整平、定向與掃描這一流程開展測量作業(yè)。在同一坐標(biāo)系中拼接點云數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)批量導(dǎo)入數(shù)據(jù)，這樣可以降低因為測量人員主觀意識問題或者野外作業(yè)工作量過多等造成的作業(yè)偏差問題。而借助三維激光掃描技術(shù)測量立面中，首先需要采集點云數(shù)據(jù)，相應(yīng)的要點如下：要做好建筑立面施工現(xiàn)場的實地勘查工作，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況來科學(xué)地對掃描的各個站點進(jìn)行科學(xué)布設(shè)。鑒于立面測量中不需要進(jìn)行連續(xù)測量，所以這樣可以降低立面測量的難度，提高其整體測量的質(zhì)量與效率。而在野外立面測量實踐中，可以結(jié)合三維激光掃描的角度及距離來對各個掃描的站點進(jìn)行科學(xué)布設(shè)，并且一般在中心位置處進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集點布設(shè)，力求可以更好地提高整體采集數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。但是如果所測建筑高度有所不同，那么在引入三維激光掃描技術(shù)過程中可以借助不同梯度來對掃描的高度進(jìn)行確定，并且本著循序漸進(jìn)的原則來獲取相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)。

基于數(shù)碼設(shè)備具有比較高的分辨率，在保證測量要求滿足規(guī)定要求的基礎(chǔ)上，要注意盡可能多選一些角度來獲取建筑立面數(shù)據(jù)以及紋理數(shù)據(jù)等。其中繪制建筑正立面中非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)之一是紋理數(shù)據(jù)，但是在開展野外測量過程中需要注意盡可能地展現(xiàn)出建筑立面特征，力求可以直觀地展現(xiàn)出建筑物的外表特征。此外，在獲取建筑立面的數(shù)據(jù)期間，還要注意構(gòu)建相對比較完善的掃描測量控制網(wǎng)，保證其預(yù)設(shè)精度的準(zhǔn)確性，這樣才能更好地控制最終立面繪圖結(jié)果的準(zhǔn)確性，如可以設(shè)置兩級布網(wǎng)方式作為控制網(wǎng)。與此同時，還需要依據(jù)拐點與樓層來對一些低層單棟建筑進(jìn)行劃分。而在測量那些具有高測量精度的復(fù)雜樓層信息數(shù)據(jù)過程中，可以靈活地應(yīng)用精細(xì)掃描法、多次掃描法、間隔采樣法等多樣化的掃描手段與方法，保證可以極大地提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確率和效率。但是要結(jié)合實際的建筑立面施工需求，并要保證數(shù)據(jù)獲取的精度滿足實際的使用要求和規(guī)定。而一旦獲取的建筑立面施工數(shù)據(jù)存在誤差，那么會對后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用帶來不利影響。

3.2 處理點云數(shù)據(jù)

在獲取充足及準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需要及時對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理處理，主要要點如下：

（1）配準(zhǔn)點云作業(yè)。需要借助專用軟件來處理獲取的點云數(shù)據(jù)。如果僅僅借助該種測量技術(shù)是無法對建筑立面外貌進(jìn)行直觀了解的，加上不同掃描站點所獲取的點云數(shù)據(jù)位于不同坐標(biāo)系當(dāng)中，所以為了提高所獲取測量數(shù)據(jù)的可靠性與精準(zhǔn)性，要注意及進(jìn)行配準(zhǔn)點云這一基本操作。此時一般可以借助RieglVZ-400和Riscanpro軟件來對所獲取的點云數(shù)據(jù)開展拼接處理，可以分成粗略配準(zhǔn)和精準(zhǔn)配準(zhǔn)兩種情況。其中前者無法準(zhǔn)確地確保所獲得測量數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，厚澤則可以配合Pro軟件來對點云位置進(jìn)行精準(zhǔn)確定，這樣可以為后續(xù)的模型生成提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

（2）生成云模型。在點云配準(zhǔn)之后，所測數(shù)據(jù)可以集中于同一個坐標(biāo)系當(dāng)中，借助去噪平滑處理來對所獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，并科學(xué)構(gòu)建點云模型。鑒于野外測量多在夜晚開展，掃描儀所獲取的物體信息中包含有許多不需要用于點云模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)，如綠地、光照及行車等噪點。這些噪點的存在不僅會增加數(shù)據(jù)處理的難度，也會對地物特征判斷準(zhǔn)確性帶來不利影響，所以要注意做好去噪處理工作來減少車流量或人等因素對測量帶來干擾或其他不利影響，大大提高了野外數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準(zhǔn)確性。在去噪中，可以采取人工方式來進(jìn)行去噪處理，并將不必要數(shù)據(jù)進(jìn)行及時剔除，這樣就可以在Geomagic當(dāng)中輸入處理后的點云數(shù)據(jù)。

3.3 繪制建筑立面圖

該測量技術(shù)有比較高的數(shù)據(jù)采集精度，所以需要在保證所獲取運(yùn)輸局精準(zhǔn)性的基礎(chǔ)上開展建筑立面圖繪制作業(yè)。通過有機(jī)結(jié)合點云立面圖和數(shù)字影像，可以準(zhǔn)確地將建筑的外立面繪制出，尤其是可以將建筑的特征進(jìn)行生動刻畫與直觀呈現(xiàn)，從而可以更加有效地展現(xiàn)出建筑物的整體立面情況。與此同時，由于三維激光掃描技術(shù)涉及比較大的數(shù)據(jù)量，但是CAD加載中涉及比較少的點云數(shù)據(jù)，這就需要在實際的作業(yè)實踐中采取切割機(jī)簡化的方式處理點云數(shù)據(jù)，并將它們錄入到Geomagic軟件中，在經(jīng)過切割處理和簡化處理之后以DXF格式輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。然后可以借助CAD軟件來繪制建筑的立面圖，期間需要結(jié)合具體的建筑工程建設(shè)及施工現(xiàn)況，采取動態(tài)設(shè)計思路來對相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)行動態(tài)化調(diào)整與合理變更，力求可以使各個斷面的內(nèi)容進(jìn)行完整、直觀地展現(xiàn)，這樣可以大大提高了建筑立面圖的繪制效果。

總之，三維激光掃描技術(shù)可以高效支撐建筑立面施工過程中相關(guān)立面數(shù)據(jù)測量，有利于極大地提高相關(guān)立面數(shù)據(jù)測量結(jié)果的準(zhǔn)確度與效率，并且極大地降低了相應(yīng)工人的勞動強(qiáng)度，相應(yīng)的測量消耗總成本較低。但是實際的建筑立面測量實踐中要注意嚴(yán)格按照規(guī)定的測量流程及要求等，切實做好對點云數(shù)據(jù)的采集與處理，科學(xué)地進(jìn)行建筑立面圖繪制幾個關(guān)鍵的測量工作，保證最大程度提高立面測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。