三維激光掃描在建筑中的應(yīng)用

陳 竣

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著社會經(jīng)濟(jì)體系的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人口數(shù)量激增，導(dǎo)致城市人口的密集度也越來越高，隨著人們對城市建筑的要求越來越高，城市的格局規(guī)劃和環(huán)境問題也在迅速的凸顯。而這些問題在隨著電子計算機(jī)械進(jìn)入建筑行業(yè)之后被解決掉了大部分，其中三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為了整個建筑行業(yè)的核心技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的測繪方法，三維激光掃描技術(shù)隨著其精度高、安全性好、測量快等特點(diǎn)迅速擠占了傳統(tǒng)的測繪市場，因此，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在建筑領(lǐng)域工程中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三維激光掃描概述及技術(shù)原理

在測繪行業(yè)工作過的人們都知道傳統(tǒng)的測繪方式是一種單點(diǎn)精確測量方式，雖然這種測繪方法測量的精度高在缺點(diǎn)也在這里，精度高也就代表著測繪速度慢、消耗時間長、打點(diǎn)速度慢等缺點(diǎn)，因此這種測繪方式應(yīng)用于簡易的建筑體測量是一種不錯的選擇，但面對如今越來越多的超高建筑體及非正常結(jié)構(gòu)建筑體的測量就顯得有很多的不足，這種超高建筑體以及非正常結(jié)構(gòu)建筑體所需要的點(diǎn)數(shù)據(jù)動輒就是數(shù)萬甚至數(shù)十萬的點(diǎn)數(shù)據(jù)，而且由于建筑的超高型建筑，很多的點(diǎn)位數(shù)據(jù)是很難進(jìn)行精準(zhǔn)測量的并且測量的危險性極高。

三維激光掃描技術(shù)是一種進(jìn)入二十世紀(jì)之后才開始發(fā)展起來的新型測繪技術(shù)，這是測繪領(lǐng)域在GPS技術(shù)的應(yīng)用，RTK測繪技術(shù)之后的再一次技術(shù)革新，他在傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方式基礎(chǔ)上進(jìn)行了改革創(chuàng)新，一種多點(diǎn)式測量方式也就是三維激光掃描技術(shù)被成功研發(fā)，因為其測繪速度快、精度高、效率高等特點(diǎn)被快速應(yīng)用在建筑行業(yè)并廣受歡迎。

其技術(shù)原理大致可分為3大類：1）脈沖式測距，脈沖式測距的技術(shù)原理是利用三維激光掃描儀發(fā)射出激光脈沖信號，再利用掃描儀中的棱角反射到被測物體的表面，再由掃描儀接收反射回來的信號，最后根據(jù)激光脈沖信號發(fā)射的時間和接收到激光脈沖信號的時間差來計算出三維激光掃描儀與被測物體表面的實(shí)際距離，這種測距技術(shù)所能應(yīng)用的測距距離是最遠(yuǎn)的；2）相位式測距，所謂相位式測距，是指在三維激光掃描儀發(fā)射激光脈沖的時候，對其激光脈沖幅度進(jìn)行調(diào)制，然后計算出激光脈沖從發(fā)射到接收之間的相位差，結(jié)合激光的波長和相位差最終計算出激光從發(fā)射到接收的傳播時間，從而計算出掃描儀與被測物體表面的實(shí)際距離。這種測距技術(shù)應(yīng)用的測距距離僅次于脈沖式測距；3）三角法測距，三角法測距是根據(jù)掃描儀的正長寬高等數(shù)據(jù)以三角形幾何數(shù)據(jù)理論測算出掃描儀與被測物體表面的實(shí)際距離，但這種測距方法的測距距離范圍比脈沖式測距以及相位式測距都要小很多，一般情況下，這種測距方法只會用于幾十米范圍內(nèi)的測距，在此范圍內(nèi)掃描出來的點(diǎn)位數(shù)據(jù)精度是最高的。

2 三維激光掃描技術(shù)在建筑測繪中的應(yīng)用特點(diǎn)

三維掃描技術(shù)可以在不對實(shí)物的表面進(jìn)行任何處理的情況下，直接從實(shí)物中快速的進(jìn)行逆向三維數(shù)據(jù)的采集和模型重構(gòu)，它能夠保障這種采集到的數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。這種技術(shù)最大的特點(diǎn)是他可以深入到各種復(fù)雜的空間當(dāng)中去進(jìn)行掃描以及數(shù)據(jù)采集，由于其高精度、高效率的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，也被成為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。

三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)大致可分為幾點(diǎn)：1）高效性，與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)相比，三維激光掃描儀可以在一秒內(nèi)打出數(shù)百萬個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，快速的完成數(shù)據(jù)采集，從而在電腦內(nèi)形成三維數(shù)據(jù)圖像，其測繪的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的單點(diǎn)精確數(shù)據(jù)采集；2）高精度，傳統(tǒng)的測繪方式是通過對單點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合然后繪制出測繪面，而三維激光掃描儀可以用數(shù)百萬個激光脈沖信號測量出測繪面的數(shù)百萬個測繪點(diǎn)，且能夠調(diào)節(jié)分辨率來達(dá)到對精度的需求，掃描出的數(shù)據(jù)可在計算機(jī)中建立出三維立體模型，其精度細(xì)節(jié)要比傳統(tǒng)的測繪方式要精確很多；3）高安全性，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)在對超高型以及非正常結(jié)構(gòu)的建筑進(jìn)行測繪的時候，由于很多點(diǎn)位難以測量，導(dǎo)致測量的安全性大大降低，而三維激光掃描儀是通過非接觸的方式，通過自動化的操作系統(tǒng)，將參數(shù)設(shè)置好之后，掃描儀會自動的旋轉(zhuǎn)，采集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，大大提高了其測繪環(huán)境的安全性，而且由于三維激光掃描儀是一個自動化的機(jī)械軟件，因此其測繪流程與操作手法要比傳統(tǒng)的測繪方式簡要的多。

3 三維激光掃描技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用

現(xiàn)階段的三維激光掃描技術(shù)在相關(guān)部門的有力推動下，其技術(shù)越來越成熟，在各個行業(yè)中的應(yīng)用制度也越來越完善，采集到的數(shù)據(jù)建立的模型庫也越來越大，因此三維激光掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，特別是建筑領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)以及成為了核心技術(shù)之一。

3.1 三維數(shù)據(jù)逆向建模

三維激光掃描技術(shù)是保證建筑施工實(shí)際測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的核心技術(shù)，施工人員可以采用這項技術(shù)對施工現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行測量采集，然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為之后的施工流程提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。三維激光技術(shù)應(yīng)用最多的是在超高型建筑和非正常結(jié)構(gòu)建筑中，利用三維激光掃描技術(shù)對整個工程的相關(guān)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，隨后在計算機(jī)內(nèi)，根據(jù)掃描出的這些數(shù)據(jù)建立起三維數(shù)據(jù)模型。

比如我們在對一個非正常結(jié)構(gòu)建筑做一個外部裝飾如鋪設(shè)玻璃幕墻或者給建筑加設(shè)一個懸空臺，但是施工人員在進(jìn)行建設(shè)的時候，發(fā)現(xiàn)實(shí)際的數(shù)據(jù)其實(shí)跟設(shè)計圖上的理想數(shù)據(jù)是有一部分的偏差的，導(dǎo)致現(xiàn)有的材料構(gòu)件無法按照原有的安裝方式進(jìn)行安裝，這就需要施工人員利用三維激光掃描技術(shù)對整個平臺或建筑面進(jìn)行掃描，然后結(jié)合建筑的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行重新設(shè)計，最終由施工人員根據(jù)新的設(shè)計圖完成建筑工程的安裝。

傳統(tǒng)的施工測繪技術(shù)單點(diǎn)采集較為精確，但多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集特別是三維數(shù)據(jù)采集，其精確度較差，不僅延長的工期，還對建筑的工程質(zhì)量和最終效果有著極大的影響。施工人員可以基于現(xiàn)有的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)逆向建模工作，從而達(dá)到控制建筑工程成本、降低建筑施工風(fēng)險、提高工作效率等目標(biāo)，給后續(xù)的工程建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.2 工程量及工程質(zhì)量分析

對建筑工程的工程量和工程質(zhì)量分析需要從施工過程和施工完成之后進(jìn)行分別分析。

在施工過程中，施工人員可以利用三維激光掃描技術(shù)采集到的建筑主體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后件計算機(jī)中建立起相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)模型，然后將這個三維數(shù)據(jù)模型與施工的CAD模型和BIM模型進(jìn)行三方對比，對于存在誤差的模型位置，需要利用現(xiàn)有的技術(shù)和施工工藝進(jìn)行修正，從而提供一份高精度的工程建設(shè)方案，從而達(dá)到縮短工期、提高工作效率、減少經(jīng)濟(jì)損耗等建設(shè)目標(biāo)，確保工程的順利進(jìn)行。

對于施工完成也就是即將竣工的建筑，就需要施工人員對建筑的表面積進(jìn)行計算，特別是對于超高型以及非正常結(jié)構(gòu)的建筑體，其面積就需要更精確的計算，這不僅關(guān)系到施工單位與建筑企業(yè)方的后期核算，也關(guān)系到能否從數(shù)據(jù)中建筑的安全性和使用合理性進(jìn)行風(fēng)險預(yù)估。傳統(tǒng)的測量方式由人工利用全站儀等精密測量儀器進(jìn)行測量，但跟三維激光掃描技術(shù)相比傳統(tǒng)測量方式的危險性還是要大得多，并且采用傳統(tǒng)測量方式還具有測量出來的數(shù)據(jù)精確度差、耗時長、成本高等特點(diǎn)。

3.3 運(yùn)維管理與變形監(jiān)測

建筑工程驗收環(huán)節(jié)最重要的是運(yùn)維管理與變形監(jiān)測，建筑企業(yè)單位將大量的時間、金錢和資源投入到建筑工程當(dāng)中，就是為了工程在后期的運(yùn)營階段能夠達(dá)到預(yù)期中的營收額，所以建筑企業(yè)方可以依據(jù)三維激光掃描技術(shù)采集的數(shù)據(jù)制定出科學(xué)合理運(yùn)維管理制度，從而簡化運(yùn)維流程、降低運(yùn)維成本、可及時對改、擴(kuò)建計劃作出調(diào)整。

將三維掃描技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢充分利用起來，可以給構(gòu)建自動化、信息化、智能化以及一體化的智能運(yùn)維管理平臺提供可靠的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，提高了對施工空間、機(jī)械設(shè)備、企業(yè)資產(chǎn)的綜合性管理的高效性。

變形監(jiān)測工作在整個工程生命周期內(nèi)占據(jù)重要地位，他不僅決定了工程質(zhì)量，還直接影響著建筑結(jié)構(gòu)安全問題。在對被測建筑進(jìn)行全方位掃描數(shù)據(jù)采集之后，與建設(shè)施工中采集的各個數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如出現(xiàn)誤差，就要制定出可靠性與可行性較強(qiáng)的變形改良方案，從而保證建筑工程質(zhì)量。

4 三維激光技術(shù)在建筑重建中的應(yīng)用

建筑是一部石頭史書，無論是古建筑還是近現(xiàn)代建筑，他都有一個時代的特征表現(xiàn)在建筑物上，這些建筑物記錄了一個時代的發(fā)展和興衰，無論是對于一個國家還是對于一個民族，都有著極其總要的幾年意義。隨著三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)，給破損或者遺失的建筑的修補(bǔ)或者重建帶來了可能性，但是由于技術(shù)限制，如今還有許多問題需要攻克。

5 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)在建筑中的應(yīng)用最重要的是給建筑工程提供了精確而可靠的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)是保證建筑工程質(zhì)量和效率的核心依據(jù)，因此三維激光掃描技術(shù)是建筑工程的核心技術(shù)之一，且由于其精度高、效率高、安全性高等特點(diǎn)，其應(yīng)用前景極廣，相信通過對三維激光掃描技術(shù)的研究，能夠給建筑行業(yè)帶來勃勃生機(jī)。