三維激光掃描技術在建筑物中的應用

朱世成

摘 ? ?要：隨著城市的快速發展，許多超高層建筑，地標性建筑崛地而起。而這些建筑特點多傾向于超高層及異形。傳統的測量方式面對這些建筑有精度低，效率低，難度大的缺點。而三維激光掃描技術可以彌補這些缺陷，相對于傳統測量有較大的優勢。本文主要講述了三維激光掃描原理、特點、操作過程和最后的應用效果，對實際工程有較好的參考價值。

關鍵詞：三維激光掃描;建筑;原理;過程;應用效果

1 ?三維激光掃描的原理

三維激光掃秒技術原理有脈沖式測距、相位式測距、激光三角法測距。其中脈沖式測距原理是利用三維激光掃描儀發射出激光信號，然后掃描儀中的棱鏡反射至目標物表面，掃描儀接收反射回來的信號，最后通過發射激光信號至接收激光信號的時間來測量待測物至掃描儀發射中心的距離[1]。相位式測距原理是：對掃描儀激光脈沖的行進幅度進行調制，同時測量激光脈沖從發射到接收的相位差值，再根據激光的相位差和激光波長計算激光的傳播時間，最后計算目標物至掃描儀激光發射中心的距離，相位式測距的有效測量距離介于脈沖式和三角法之間。激光三角法測距原理：根據三角形的幾何關系從而計算出被掃描物體至掃描儀激光發射中心的距離，它的測距范圍最小，一般只有幾十米掃描精度最高，在醫學領域和精密測量方面得到了廣泛的應用，如醫學整形、矯正手術、工業設計、人體測量以及在線加工等。

2 ?三維激光掃描的特點

三維激光掃描的有高效性、高精度、高安全性、自動化操作等特點[2]。其中高效性體現在三維激光掃描儀可以每秒打出數百萬個點，快速形成空間信息圖像，相對于傳統人工測量方式大大節省工時。高精度體現在以往人工測量往往是以點帶面的形式展現，而三位激光掃描儀內裝有精密的傳感器，可以調節分辨率達到工程對精度的需求，并能夠空間成像，形成空間點的坐標，對目標體形成更加細膩的展現。高安全性體現于非接觸式測量，以往人工測量需要拿工具比如卷尺、靠尺等去需要測量的地方進行測量，由于惡劣的環境限制加大了測量的危險性，而三維激光掃描測量則可在相對安全的環境下進行測量。自動化操作體現在，三維激光掃描儀設置好參數后，儀器則可以自動旋轉，進行數據收集。而傳統測量如全站儀測量則需要全程人工參與，相比與傳統掃描方式，三維激光掃描更加容易操作，更具有適用性。

3 ?三維激光掃描的過程及效果

三維激光掃描的過程包括外業數據收集和內業數據處理，其中外業數據的誤差主要來源于測距過大產生的誤差，測角誤差，及目標物外表面粗糙的誤差。三維激光掃描儀打到目標物上的點在近距離是個極小的點，激光反射回來的路徑的直線路徑，是直線距離，而隨三維激光掃描儀與被測物體的距離增大，三維激光掃描儀打出去的點是一個光斑，而在光斑內的任意第一個反射回的點都是儀器與目標物體的距離，并不是直線路經進而產生誤差。測角誤差主要來源于在測量時，棱鏡高速旋轉產生微小的振動，鏡面平整度誤差以及掃描電機不均

勻轉動的控制誤差[3]等。目標物表面誤差主要來源于在一般情況下，掃描儀只會接收到從單一待測物反射回來的信號，但是如果激光脈沖信號剛好發射到兩個或兩個以上物體的交界處時就會從物體A和物體B同時反射回波信號到掃描儀的接收器，這兩個回波信號會發生干擾，會使信號產生一個時間延遲，導致測距誤差，被稱為多路徑誤差。那么針對于這些誤差來源，外業數據收集時，三維激光掃描儀應該架設在被測目標物無遮擋干擾的位置，并且在超高層建筑物中，應盡量架設在離超高層較近且高度在超高層高度一半左右的位置，因為俯角過大或仰角過大都會造成點云數據過少的情況，從而影響其精度。如果受環境限制，不能找到這樣理想的架設位，則應適當調整分辨率，保證有足夠的點云數量。在測量異形建筑物時，儀器架設位置和操作方式也應滿足上述條件。

內業數據處理，主要包括點云預處理，點云除噪處理，Bim模型處理，最后Bim模型與點云數據在Geomagic軟件中擬合進行偏差分析。點云預處理，主要是利用三維激光掃描儀自帶軟件，將點云格式生成我們3D軟件可以處理的格式，然后將點云模型輸入Geomagic軟件中進行除噪，除噪時，我們先用軟件除噪，軟件除噪只能去除一些非常離散的點，之后我們還要進行人工除噪，比如建筑物上有一些干擾物，如吊籃和吊繩等。人工除噪應勁量刪到只剩我們需要的目標物為止，這樣進行后期擬合時可以大大減少噪點的干擾。Bim模型的處理，Bim模型首先我們應當保證其準確性。然后應將Bim模型先導入3D Max軟件中生成stl格式后才能導入Geomagic軟件中。在此要特別說明在超層建筑中，無論點云數據還是Bim數據都要進行分面分段處理，這樣會大大減小數據的內存，如果超高層建筑不經分面分段的處理，會導致數據過大，在進行數據處理的時候會造成操作的卡頓。分面分段后進行Bim模型數據與點云數據的擬合與對比，在擬合后我們便可以根據色譜觀察，比如紅色我們設定為超出規范允許偏差。那么圖像上出現紅色的部分與區域便是我們應該進行注意的地方，我們要在紅色區域標點進行偏差標注，其標注上會顯示x，y，z值，分表代表在三個方向的偏差值。我們應當進行具體分析，如果偏差值過大則說明存在噪點的影響，軟件將噪點也計算在內所致，因為是人工除噪，這種情況不可避免。我們可以找該點附近的點進行標注。盡量在紅色區域進行多點標注，這樣能更好的分析出偏差趨勢。

4 ?總結與展望

三維激光掃描儀作為測繪界的新星，受到了廣泛的關注，應用領域也日益增加，在變形監測領域也有很多探索和嘗試，但是其監測方法和工程應用還沒有形成體系。本文主要在三維激光掃描技術的原理，特點，操作過程及效果進行講述，對工程有著一定的參考價值。但三維激光掃描技術還有一些方面需要改進與完善，比如精度方面，精度已經達到甚至超過全站儀的精度，但應有一個精度檢驗的體系進行驗證。還有點云處理方面，點云的數量過大，噪點過多，人工處理不可能刪除干凈，而多余噪點會對分析產生很大的干擾，在除噪方面還有待完善。隨著技術的發展和儀器的更新，三維激光掃描儀在變形監測領域將會得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應用[D].中南大學，2010.

[2] 趙煦.基于地面激光掃描點云數據的三維重建方法研究[D].武漢：武漢大學，2010.

[3] 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005（2）：32～34.