建筑測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用研究

周 楓 朱 丹

江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì) 江蘇 常州 213022

伴隨著我國市場(chǎng)內(nèi)部建筑行業(yè)的發(fā)展，我國的城市化水平和現(xiàn)代化建設(shè)水平不斷得到提高，城市內(nèi)部的建筑工程項(xiàng)目整體規(guī)模和建設(shè)總量不斷的擴(kuò)大。在工程建設(shè)項(xiàng)目的施工過程中，測(cè)繪工作作為整體施工流程的重要組成部分，其工作質(zhì)量和工作效率會(huì)直接影響工程項(xiàng)目的整體建設(shè)質(zhì)量和安全性能[1]。所以，相關(guān)的施工單位必須針對(duì)施工過程的測(cè)繪工作進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督管理，提高測(cè)繪工作的整體工作質(zhì)量和測(cè)繪精確度。在測(cè)繪工作的具體工作環(huán)節(jié)中，相關(guān)的測(cè)繪工作人員可以結(jié)合工程項(xiàng)目的具體特點(diǎn)和實(shí)際情況，有選擇性的實(shí)施三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑測(cè)繪數(shù)據(jù)的收集和處理工作，通過這種方式可以有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工測(cè)繪工作的缺陷，提高測(cè)繪工作數(shù)據(jù)獲取的精確度和分辨率，保障工程項(xiàng)目整體的建設(shè)質(zhì)量和安全性能。

1 三維激光掃描技術(shù)和建筑測(cè)繪概論

傳統(tǒng)的針對(duì)建筑物進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量工作的測(cè)繪方法一般是通過使用標(biāo)尺、測(cè)距儀、全站儀等常規(guī)器具對(duì)建筑物進(jìn)行人工測(cè)量工作，這種落后的測(cè)繪方法不但需要浪費(fèi)大量的人力資源，同時(shí)由于受制于落后的測(cè)繪技術(shù)手段，無法對(duì)建筑物進(jìn)行精確的三維模型的建立，對(duì)于建筑主體中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和測(cè)量指標(biāo)以及建筑物自身的結(jié)構(gòu)特征都無法實(shí)現(xiàn)精確詳細(xì)的表達(dá)，并且由于傳統(tǒng)測(cè)繪工藝自身的技術(shù)水平限制，在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量的過程中容易對(duì)建筑物產(chǎn)生損傷[2]。所以為了提高建筑測(cè)繪工作的工作質(zhì)量和整體的測(cè)繪技術(shù)水平，做到精確的建立三維數(shù)字化建筑模型，從而高效的進(jìn)行建筑測(cè)繪工作，有關(guān)單位和部門應(yīng)當(dāng)結(jié)合自身的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和特征，有選擇的引入高新科技設(shè)備，例如現(xiàn)階段被建筑測(cè)繪行業(yè)廣泛使用的三維激光掃描儀，從而實(shí)現(xiàn)自身行業(yè)的技術(shù)革新。

三維激光掃描技術(shù)是近些年來測(cè)繪科學(xué)研究領(lǐng)域新的發(fā)展突破，是新型的科學(xué)技術(shù)測(cè)繪手段，在當(dāng)前我國的測(cè)繪工作中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用并為國內(nèi)測(cè)繪行業(yè)的發(fā)展起到了重要的積極作用。三維激光掃描技術(shù)與現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)二者相結(jié)合，極大的增加了建筑測(cè)繪信息數(shù)據(jù)獲取的精確度和分辨率，同時(shí)具有工作效率高、定點(diǎn)精確度高、測(cè)量范圍廣的特點(diǎn)，能夠有效的解決傳統(tǒng)人工測(cè)繪工程中存在的缺陷，有力的推動(dòng)國內(nèi)測(cè)繪行業(yè)的良好發(fā)展，提高了建筑行業(yè)整體的工作質(zhì)量和安全可靠性，提高了工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和規(guī)范性[3]。

2 三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)原理和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)又被稱為三維實(shí)景復(fù)制技術(shù)，在實(shí)際的工作流程中，需要使用激光掃描設(shè)備對(duì)需要檢測(cè)的區(qū)域進(jìn)行實(shí)景掃描獲取數(shù)據(jù)，并依據(jù)獲取的數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化建模，一般情況下設(shè)備可以收集到的數(shù)據(jù)包括被檢測(cè)區(qū)域的環(huán)境要素信息、檢測(cè)控制點(diǎn)位信息、被測(cè)建筑物體表面的光照反射強(qiáng)度等。數(shù)據(jù)通過對(duì)顏色信息的收集，構(gòu)建出三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，可以針對(duì)被掃描的建筑物體的環(huán)境、建筑主體、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等部分區(qū)域進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)繪制和研究工作。

目前國內(nèi)的測(cè)繪行業(yè)中，三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是被測(cè)建筑物主體建立三維坐標(biāo)系來進(jìn)行測(cè)繪工作，在確定被測(cè)物體精確的三維坐標(biāo)后，主要的數(shù)據(jù)信息包括距離、掃描、方位、角位移等信息。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的精確獲取可以有效的保證測(cè)繪工作的工作質(zhì)量。

（1）在遙感測(cè)繪工作環(huán)節(jié)，通常是利用三維激光技術(shù)對(duì)被測(cè)建筑物的主體進(jìn)行遙感測(cè)繪分析工作。常用的測(cè)繪方法主要有相位測(cè)量法、脈沖測(cè)量法、三角剖分法三種。在以上的各種遙感測(cè)繪方法中，最常使用的就是相位測(cè)量法。通過使用相位測(cè)量法進(jìn)行遙感測(cè)繪工作，可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)信號(hào)的被測(cè)距離進(jìn)行分析和計(jì)算，從而形成相對(duì)差值的調(diào)制工作，并依據(jù)實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，確定被測(cè)距離隨時(shí)間變化的具體形態(tài)信息。這類測(cè)量方式在一些對(duì)數(shù)據(jù)精密度要求較高的領(lǐng)域經(jīng)常應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4]。而三角剖分法在測(cè)量距離的分析過程中主要是要通過對(duì)幾何學(xué)的應(yīng)用，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算和分析實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體距離數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測(cè)繪，這種三角剖分法在近距離的測(cè)量工作中被廣泛的應(yīng)用。最后是脈沖測(cè)量法，通過脈沖的發(fā)射和接受形成時(shí)差獲得距離測(cè)量數(shù)據(jù)，并針對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算進(jìn)行遙感測(cè)繪工作，這種脈沖測(cè)量法被廣泛的應(yīng)用在三維激光掃描設(shè)備。

（2）在角位移的數(shù)據(jù)測(cè)量工作以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，角位移測(cè)量數(shù)據(jù)是三維激光掃描數(shù)據(jù)的關(guān)鍵測(cè)量要素。在實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)量和分析工作環(huán)節(jié)，需要針對(duì)線性位移數(shù)據(jù)和角位移數(shù)據(jù)兩種不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)直線位移數(shù)據(jù)的測(cè)量工作，通常會(huì)用到CDD設(shè)備、直角棱鏡、激光發(fā)生器等設(shè)備進(jìn)行組合形成系統(tǒng)性的測(cè)量規(guī)劃，對(duì)被測(cè)物體的直線位移數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量和分析。而對(duì)于角位移數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析工作，需要對(duì)被測(cè)物體的角位移幅度數(shù)值進(jìn)行測(cè)量和分析，針對(duì)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算結(jié)果得到步距角等數(shù)據(jù)，從而獲取對(duì)角位移數(shù)據(jù)的實(shí)際數(shù)值。

（3）三維激光掃描技術(shù)從本質(zhì)上來講，是對(duì)被測(cè)建筑物主體掃描和定向的技術(shù)。其中，掃描是為了獲取被測(cè)建筑物主體的空間坐標(biāo)精確數(shù)據(jù)，也是三維激光掃描的重要環(huán)節(jié)。通過設(shè)備向被測(cè)建筑物主體發(fā)射激光進(jìn)行掃描，根據(jù)激光的發(fā)射和接收時(shí)的差值也就是激光的具體往返時(shí)間以及相位差值進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算工作，獲取精確的距離數(shù)據(jù)。在對(duì)被測(cè)建筑物主體進(jìn)行掃描的時(shí)候，由掃描測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)部時(shí)鐘對(duì)設(shè)備的編碼器進(jìn)行控制，從而精確的測(cè)量縱向和橫向的角度值，保證獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。并通過使用相關(guān)的計(jì)算公式，對(duì)被測(cè)點(diǎn)位的三維空間坐標(biāo)系和位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算工作，從而獲取被測(cè)點(diǎn)位的三維空間坐標(biāo)值。在對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行定向操作的工作環(huán)節(jié)，需要將獲取的掃描坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系，從而計(jì)算出被測(cè)建筑物主體的方向識(shí)別標(biāo)志的具體中心坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)支持坐標(biāo)公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)換工作。通過對(duì)坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)換應(yīng)用系數(shù)的使用，可以精確的獲取被測(cè)物體的各種測(cè)繪數(shù)據(jù)[5]。

2.2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)更具有現(xiàn)代化的發(fā)展意義，通過使用先進(jìn)的三維激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)建筑物測(cè)繪工作全流程的自動(dòng)化運(yùn)行，并且通過這種方式獲取的數(shù)據(jù)精確度和分辨率都得到了極大的提升，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的矯正工作等環(huán)節(jié)，相較于傳統(tǒng)的建筑測(cè)繪技術(shù)而言受到的時(shí)間和空間的約束限制更小，技術(shù)的適應(yīng)性能更加強(qiáng)大。目前，三維激光掃描儀主要采用非接觸式的掃描技術(shù)對(duì)被測(cè)建筑物進(jìn)行測(cè)繪工作，這種技術(shù)不依靠反射棱鏡的使用，可以直接對(duì)被測(cè)量建筑物的數(shù)據(jù)采集目標(biāo)進(jìn)行三維立體式的激光掃描工作，從而獲取需要的建筑測(cè)量數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)采集工作的全流程都可以由三維激光掃描儀自動(dòng)完成，不需要人工參與[6]。另外，在實(shí)際的測(cè)繪工作中使用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)繪，可以有選擇性的超出既定測(cè)繪范圍，從而有效保證測(cè)量工作獲取數(shù)據(jù)的完整性和可參考性，有效避免了傳統(tǒng)建筑測(cè)繪技術(shù)受限于空間條件而無法保證數(shù)據(jù)全面性和完整性的缺陷。在進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)掃描工作的過程中，相關(guān)的工作人員不需要對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行草圖繪制工作或者針對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行規(guī)劃測(cè)量，只需要在整體的測(cè)繪工作流程中做好三維激光掃描儀的部署與設(shè)置工作，安排好整體的工作方案就可以由儀器自行完成數(shù)據(jù)的測(cè)量、獲取、收集、計(jì)算、分析、上傳等工作，極大的提高了測(cè)繪工作的工作效率和工作質(zhì)量。

在測(cè)繪工作的三維激光掃描儀具體使用過程中，可以利用其自身的掃描光束針對(duì)設(shè)備的激光發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢查工作，確認(rèn)激光的發(fā)射信號(hào)是否可以正常的獲取被測(cè)建筑物的位置信息。這樣可以保證整體的激光掃描工作不會(huì)受到周圍環(huán)境和其他建筑物的阻擋和約束，有效提高三維激光掃描的數(shù)據(jù)獲取速度和精確度，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體和建筑物主體的高密度激光掃描和數(shù)據(jù)采集工作，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的整體分辨率和精確度，減少測(cè)量過程中的數(shù)據(jù)遺漏的情況發(fā)生。

3 建筑測(cè)繪工作中三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用策略

3.1 建筑測(cè)繪工作的具體工作流程

在建筑測(cè)繪工作中引入三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以顯著提高建筑測(cè)繪工作的工作質(zhì)量和工作效率。目前國內(nèi)建筑測(cè)繪工作主要分為前期準(zhǔn)備階段、外部施工環(huán)境數(shù)據(jù)的采集階段以及針對(duì)采集數(shù)據(jù)的內(nèi)部綜合處理階段，直到生成最終的測(cè)繪工作成果。首先，在建筑測(cè)繪工作的前期準(zhǔn)備階段，需要針對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的基本情況和規(guī)劃方案進(jìn)行必要的分析和了解，對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際建設(shè)情況做到全面的掌握。并針對(duì)實(shí)際的建設(shè)情況分析測(cè)繪工作可能會(huì)遇到的困難和難點(diǎn)以及具體的需要，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的具體特點(diǎn)作出綜合的考量，確定建筑測(cè)繪工作的整體工作規(guī)劃、測(cè)繪工作路線、技術(shù)人員的配置和需要使用的各種專業(yè)設(shè)備和儀器，為正式的建筑測(cè)繪工作奠定扎實(shí)的工作基礎(chǔ)。在針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化構(gòu)建的工作環(huán)節(jié)，相關(guān)的測(cè)繪工作人員應(yīng)當(dāng)確定測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的具體位置信息以及相關(guān)的數(shù)字化構(gòu)建工作的參數(shù)依據(jù)，通過使用三維激光掃描儀對(duì)被測(cè)物體和建筑物主體進(jìn)行整體的掃描測(cè)量工作。

3.2 建筑測(cè)繪工作中的外業(yè)數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)

在實(shí)際的三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用過程中，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集工作質(zhì)量和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度會(huì)直接影響最終的三維建模工作成果，其中最主要的影響因素就是人的影響因素。在針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作環(huán)節(jié)，在采用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)之上，相關(guān)的測(cè)繪工作人員可以有選擇的增加測(cè)量工作的靈活機(jī)制，從而減少測(cè)量設(shè)備與被測(cè)物體之間的距離。測(cè)繪點(diǎn)的云數(shù)據(jù)拼接工作是整體測(cè)繪數(shù)據(jù)處理階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和工作難點(diǎn)，在測(cè)量工作的進(jìn)行過程中，需要保證各個(gè)測(cè)量站的前后之間有30%左右的重疊區(qū)域，從而保證每一個(gè)既定的測(cè)繪點(diǎn)位之間形成完整的測(cè)繪平面。位于中心點(diǎn)的測(cè)量目標(biāo)可以設(shè)置在鄰近的測(cè)繪點(diǎn)位周圍，為后續(xù)的測(cè)繪點(diǎn)位設(shè)置工作提供參考依據(jù)。而三維激光掃描儀的掃描參數(shù)設(shè)置和測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的質(zhì)量有著密切的關(guān)聯(lián)，因?yàn)榧す鈷呙璧狞c(diǎn)位頻率參數(shù)具體設(shè)置將直接影響被測(cè)目標(biāo)的識(shí)別距離和測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的精準(zhǔn)度。在測(cè)量工作中，需要使用不同的三維激光測(cè)量評(píng)價(jià)率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和分析工作。

3.3 測(cè)繪站點(diǎn)的設(shè)置工作

在三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際操作過程中，需要針對(duì)掃描收集的數(shù)據(jù)信息和測(cè)繪站點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，所以在測(cè)繪站點(diǎn)的位置確定工作環(huán)節(jié)，需要全面的考慮現(xiàn)場(chǎng)周圍的地形因素，將測(cè)繪站點(diǎn)主要設(shè)置在高地或者視野寬廣的地區(qū)進(jìn)行設(shè)立，這樣可以有效保證整體的測(cè)量工作不會(huì)受到地形的阻礙和影響。對(duì)于被測(cè)區(qū)域也可以實(shí)行控制點(diǎn)位的設(shè)置，然后將測(cè)繪站點(diǎn)設(shè)置在控制點(diǎn)之上，并對(duì)控制點(diǎn)位進(jìn)行整平，由于在三維激光掃描技術(shù)的實(shí)施過程中，涉及到的坐標(biāo)系點(diǎn)位都是相互獨(dú)立的，所以對(duì)于測(cè)繪站點(diǎn)的設(shè)置要保證其位于激光的行進(jìn)路線上，激光掃描過程中數(shù)據(jù)可以在不同的測(cè)繪站點(diǎn)之間進(jìn)行相互的傳播，做到全面且完整的數(shù)據(jù)收集，避免數(shù)據(jù)獲取混亂的情況發(fā)生。

3.4 測(cè)繪工作的正式工作環(huán)節(jié)

在保證測(cè)繪點(diǎn)位的合理布置基礎(chǔ)之上，需要對(duì)站標(biāo)和儀器進(jìn)行架臺(tái)和設(shè)置工作，這樣才能使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)被測(cè)物體和區(qū)域進(jìn)行掃描作業(yè)。在保證前期準(zhǔn)備工作完備的基礎(chǔ)上，三維激光掃描技術(shù)在每一站的掃描過程需要約四分鐘，同時(shí)，在激光掃描的過程中為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)測(cè)量的工作質(zhì)量，保證測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性，可以在鎖車的區(qū)域開啟外置全球定位系統(tǒng)，保證整體的坐標(biāo)系統(tǒng)可以滿足激光掃描的需求。在激光掃描工作階段結(jié)束后，如果獲取的數(shù)據(jù)未能達(dá)到規(guī)劃要求，或者整體數(shù)據(jù)信息存在著明顯的缺陷和漏洞，可以針對(duì)部分有缺陷的區(qū)域重新進(jìn)行激光掃描，保證數(shù)據(jù)獲取的完整度和精確度。另外，在整個(gè)三維激光掃描階段，也可以通過使用棱鏡全站儀，防止被測(cè)物體或區(qū)域周圍的建筑物或者其他因素對(duì)測(cè)量過程產(chǎn)生不利影響，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)獲取的整體質(zhì)量。同時(shí)，在控制點(diǎn)位的附近范圍，可以設(shè)置十字靶心，保證數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果整體的統(tǒng)一性和均勻性，避免出現(xiàn)被測(cè)區(qū)域掃描不全的情況發(fā)生。

4 結(jié)束語

綜上所述，在建筑測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物主體測(cè)繪工作的整體工作質(zhì)量的提升，通過對(duì)測(cè)繪圖點(diǎn)的定位工作，可以在短時(shí)間內(nèi)采集到大量的測(cè)繪圖點(diǎn)的建筑物參數(shù)信息。由于三維激光掃描技術(shù)本身的先進(jìn)性和科學(xué)性，可以對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的實(shí)際測(cè)量距離和角度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施的數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)保證數(shù)據(jù)獲取的精確度和分辨率，相較于傳統(tǒng)人工的建筑測(cè)繪工作，其測(cè)繪數(shù)據(jù)的可靠性和參考價(jià)值得到了極大的提升，為工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)劃人員和建設(shè)施工人員提供了更為精確的施工坐標(biāo)系數(shù)，可以有效的優(yōu)化整體的測(cè)繪工作效果，為工程項(xiàng)目的整體建設(shè)質(zhì)量和安全性能奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。