三維激光掃描技術(shù)在科技園區(qū)廠房改造中的應(yīng)用

許景達(dá)，賈長(zhǎng)慶，楊勇

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

在科技園區(qū)發(fā)展的背景下，舊廠房的改造需求逐漸增加。傳統(tǒng)的廠房改造中采用的手工測(cè)量方式存在著一系列問(wèn)題[1-2]。首先，手工測(cè)量需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力資源，對(duì)于大型復(fù)雜的廠房來(lái)說(shuō)尤為明顯。其次，由于人為因素和測(cè)量設(shè)備的限制，手工測(cè)量容易出現(xiàn)測(cè)量誤差，造成改造方案的精確度不高。此外，傳統(tǒng)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)廠房?jī)?nèi)部細(xì)節(jié)的全面掌握，限制了改造設(shè)計(jì)和規(guī)劃的深度[3]。因此，迫切需要一種高效、準(zhǔn)確的測(cè)量方法來(lái)獲取廠房現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，在應(yīng)用時(shí)一般是通過(guò)發(fā)射、接收激光束來(lái)設(shè)定掃描物體的定向三維坐標(biāo)，以此完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集[4]。將該項(xiàng)技術(shù)與科技園區(qū)廠房改造工作進(jìn)行融合，可進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際的建設(shè)施工范圍，形成一個(gè)更加安全、穩(wěn)定的建設(shè)施工環(huán)境。在復(fù)雜的工程背景下，通過(guò)三維技術(shù)的掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息的連續(xù)性采集，可建立完整、定向的科技園改造模型，以幫助施工人員進(jìn)一步了解新建筑和既有建筑的占比，制訂更加貼合實(shí)際的改造方案，為后續(xù)關(guān)聯(lián)建設(shè)工作的執(zhí)行提供參考依據(jù)[5]。

2 科技園區(qū)廠房改造中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

2.1 獲取廠房改造點(diǎn)云數(shù)據(jù)

進(jìn)行科技園廠房的改造和建設(shè)時(shí)，要先根據(jù)實(shí)際施工需求獲取廠房改造的初始數(shù)據(jù)[6]。首先，明確廠房的具體位置，并對(duì)需要改造處理區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，為后續(xù)改造提供基礎(chǔ)。接下來(lái)，應(yīng)使用三維激光掃描儀獲取廠房的剖面、立面和平面圖等信息[7]。在對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行采集后，還需要應(yīng)用點(diǎn)云處理技術(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類篩選。為保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，建立傳輸、接收?shù)據(jù)的測(cè)定基站，并保證相鄰兩個(gè)測(cè)站之間有15%～25%的重疊，以避免數(shù)據(jù)存在漏采集。廠房基礎(chǔ)可控改造數(shù)據(jù)設(shè)置如表1 所示。

表1 基礎(chǔ)可控改造數(shù)據(jù)設(shè)置表

根據(jù)表1 完成對(duì)基礎(chǔ)可控改造數(shù)據(jù)的設(shè)置。綜合實(shí)際建設(shè)改造要求，對(duì)部分動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，以確保數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性與合理性，為后續(xù)改造工作的進(jìn)行奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 標(biāo)定多層級(jí)三維坐標(biāo)

完成數(shù)據(jù)采集后，對(duì)標(biāo)記的科技園廠房需要改造的位置進(jìn)行基礎(chǔ)三維坐標(biāo)標(biāo)定。先計(jì)算使用三維掃描儀的可控相位差，其表達(dá)式如式（1）所示：

式中，J 為可控相位差；L 為光程差，m；λ 為波長(zhǎng)，m。

以此為基礎(chǔ)，將儀器自身定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)置反射棱鏡為水平，調(diào)整三維激光的脈沖差，測(cè)定出改造前與改造后內(nèi)置結(jié)構(gòu)的間距。

接下來(lái)，使用激光掃描裝置和定向的控制單元得到更加穩(wěn)定的測(cè)量對(duì)象坐標(biāo)，具體如圖1 所示。

根據(jù)圖1 完成對(duì)三維基礎(chǔ)坐標(biāo)的設(shè)定，接下來(lái)，獲取對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)值以及信息，以待后續(xù)使用。

2.3 建立三維激光掃描改造模型

完成基礎(chǔ)三維坐標(biāo)的設(shè)定之后，進(jìn)行科技園廠房改造模型的構(gòu)建。在廠房建筑的立面調(diào)整建設(shè)過(guò)程中，需要先利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)整個(gè)平面進(jìn)行定位掃描，繪制出虛擬的三維可控優(yōu)化模型。通過(guò)在模型中標(biāo)記點(diǎn)位，并將點(diǎn)位相互關(guān)聯(lián)，可形成一個(gè)等距離縮放的真實(shí)廠房構(gòu)造模型，其流程如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描改造模型構(gòu)建流程圖

2.4 可視化局域調(diào)整實(shí)現(xiàn)科技原廠房改造

可視化局域調(diào)整是針對(duì)三維激光掃描改造所建立的廠房模型而言的。由于不同的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求，廠房結(jié)構(gòu)可能需要進(jìn)行調(diào)整或修改。在這種情況下，可利用三維激光掃描技術(shù)中的可視化技術(shù)改變節(jié)點(diǎn)的具體位置，打破傳統(tǒng)的二維線條模式。通過(guò)將三維激光掃描轉(zhuǎn)換為廠房?jī)?nèi)置結(jié)構(gòu)的建設(shè)空間，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如VR 和3D PRINTER，可進(jìn)一步加強(qiáng)可視化局域調(diào)整的效果。采用該種方法，能夠降低科技園區(qū)廠房改造的誤差，提高改造項(xiàng)目的工程進(jìn)度，并確保施工效率的提升。

3 實(shí)例分析

選定D 科技園內(nèi)部的廠房改造項(xiàng)目作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，采用對(duì)比的方式展開(kāi)分析。利用專業(yè)的設(shè)備采集D 科技園內(nèi)部廠房的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，匯總整合之后，根據(jù)實(shí)際廠房建設(shè)需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，對(duì)最終測(cè)算得出的改造結(jié)果比照研究。

3.1 D科技園廠房改造概況及基礎(chǔ)設(shè)置

綜合D 科技園內(nèi)部的廠房改造項(xiàng)目的廠房設(shè)計(jì)為復(fù)合式，廠房之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，并且是臨街改造項(xiàng)目。在建設(shè)過(guò)程中，要求輔助立面的精度在合理范圍內(nèi)，一般平面的精度必須優(yōu)于5.5 cm。為了滿足這個(gè)要求，采用了Z+F IMAGER 501型號(hào)的三維激光掃描儀和定向識(shí)別裝置。這些設(shè)備能夠提供高精度的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)使用這些設(shè)備，可以對(duì)廠房進(jìn)行全面的三維掃描，獲取詳細(xì)的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

在對(duì)D 科技園廠房進(jìn)行改造前，首先需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以采集初始數(shù)據(jù)和信息。完成基礎(chǔ)性的測(cè)定后，可使用Trimble RealWorks 模擬測(cè)定軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和整合。為更好地進(jìn)行改造工作，可將D 科技園內(nèi)部廠房需要改造的區(qū)域劃分為5 部分，并針對(duì)每個(gè)區(qū)域結(jié)合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。在每個(gè)區(qū)域中，可以通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)來(lái)采集初始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)需要進(jìn)行三維激光掃描指標(biāo)數(shù)值的設(shè)置，其具體設(shè)置如表2 所示。

表2 三維激光掃描指標(biāo)數(shù)值設(shè)置表

隨即，以此為基礎(chǔ)，將各個(gè)區(qū)域設(shè)置的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搭接關(guān)聯(lián)，完成基礎(chǔ)測(cè)試環(huán)境的搭建。接下來(lái)，綜合三維激光掃描技術(shù)，進(jìn)行具體測(cè)試分析。

3.2 D科技園廠房改造實(shí)證分析

根據(jù)對(duì)D 科技園廠房改造項(xiàng)目工程概況的分析和基礎(chǔ)測(cè)定環(huán)境的設(shè)置，可以綜合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行具體的測(cè)驗(yàn)。首先，使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)科技園廠房的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)定，形成一個(gè)模糊的虛擬框架。然后，利用主控平臺(tái)和Scene 軟件對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以備后續(xù)使用。接著，基于上述虛擬框架，標(biāo)定出5 個(gè)區(qū)域的核心改造點(diǎn)，并分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可改造處理空間，形成一個(gè)三維激光掃描改造模型。利用Trimble RealWorks 軟件結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，對(duì)需要改造的位置進(jìn)行點(diǎn)云切片模型構(gòu)建。通過(guò)折線繪制方式，確定改造的具體結(jié)構(gòu)區(qū)間，并輸出CAD 實(shí)體，進(jìn)行二次標(biāo)注。最后根據(jù)掃描得到的數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行三維修改處理，并將處理好的改造結(jié)構(gòu)導(dǎo)入CAD 軟件中，作為改造建筑結(jié)構(gòu)的參考。

通過(guò)上述模式對(duì)D 科技園內(nèi)部的廠房進(jìn)行改造處理，測(cè)算出改造的點(diǎn)云測(cè)定誤差，如式（2）所示：

式中，H 為點(diǎn)云測(cè)定誤差，mm；n 為點(diǎn)云中點(diǎn)的數(shù)量；xi，yi，zi為每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值；x，y，z 為平均坐標(biāo)值。

根據(jù)上述測(cè)定，完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，如圖3 所示。

圖3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析圖示

根據(jù)圖3 完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析：經(jīng)過(guò)5 個(gè)區(qū)域的測(cè)定分析，綜合三維激光掃描技術(shù)，最終測(cè)算得出的點(diǎn)云測(cè)定誤差被較好地控制在了0.3 mm 以下，說(shuō)明該種方法在廠房改造中的針對(duì)性較強(qiáng)，誤差可控，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，與初始的建設(shè)輔助技術(shù)相比對(duì)，三維激光掃描技術(shù)相對(duì)更加靈活、多變，具有更強(qiáng)的針對(duì)性，在復(fù)雜的建筑環(huán)境下，有著高精度、高效率等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠幫助施工人員快速測(cè)算出各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，逐漸形成更為完整的施工環(huán)節(jié)。與此同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，還可在最大程度上獲得科技園廠房表面的三維數(shù)據(jù)，科學(xué)使用，可一定程度上提高科技園廠房改造的效率。