三維激光掃描技術在舊房改造設計中應用
——以琿春陽光小區為例

劉翰霖 林 楠 劉永吉

(吉林建筑大學測繪與勘查工程學院 吉林長春 130118)

0 引言

三維激光掃描儀是近年來新興發展的一項高新技術，具有著快速、精準、方便、非接觸的獨特優勢，這些獨特優勢使得其可以有效解決采集數字化信息的難題。相較于傳統的單點測量技術，三維激光掃描技術能連續自動地獲取批量數據，提高了測量的精度與速度。這些優勢使其被廣泛應用于各個領域，包括地形測量，古建筑結構測量，變形監測，游戲場景制作，文物保護，電影特技等，是目前國內外測繪領域關注的熱點之一。

基于此，本文首先闡述了三維激光掃描技術的數據來源，然后以琿春陽光小區為案例，論述其在舊房改造設計中應用。

1 數據來源

1.1 點云數據的獲取

通過查閱相關資料，獲取德國Z+F IMAGER 5010C型號儀器操作方法，進行實地踏勘前結合琿春陽光小區周邊情況制定合理的布設方案，如圖1所示。三維激光掃描儀可通過掃描已知坐標的2個或2個以上標靶球進行坐標轉換自由設站，也可以在已知控制點上置鏡掃描另外一個已知控制點上球棱鏡進行已知點設站[1]。

圖1 掃描路線示意圖

傳統測量方式一般采取單點測量方式，而三維激光掃描技術利用的則是從水平至垂直的步進式全自動360°掃描測量[2]。在進行三維激光掃描時，對樓房掃描數據精度影響較大的是它的入射角，當入射角超過60°時掃描數據誤差會急劇增加[3]。數據采集可根據入射角及樓房長度和寬度來確定最大測站間距選擇設站位置、設站方式，在設置好掃描范圍、掃描質量、掃描分辨率以及拍照參數后然后進行自動掃描。

1.2 點云數據處理

1.2.1點云數據預處理

點云數據的預處理一般分為4個部分，其包含有點云數據的去噪、點云數據的濾波、點云數據的抽稀以及點云數據的格式轉換[4]。

在應用地面三維激光掃描儀進行實際掃描時，會受到人為的或其他因素的影響，點云數據中或多或少混入了噪聲點，根據以往經驗以及文獻記載證明，掃描所獲得的點云數據內，大約存在0.1%～5%的噪聲數據是需要清除，所以在使用這些點云數據之前，必須要去除點云數據中所混入的噪聲。去噪后的點云數據如圖2所示。

圖2 去噪后的點云數據

根據噪聲數據的高頻率特性，通過設計合適的濾波函數，對高頻噪聲數據進行平滑處理。平滑濾波一直是常用的有序點云去噪方法。現階段數據平滑通常采用高斯、平均、和中值濾波算法，如圖3所示。

圖3 三種常見的濾波效果

點云抽稀是在對點云數據進行去噪和濾波處理之后所必需進行的操作。通過三維激光掃描儀所采集到的點云數據是海量的，實施多期數據的拼接會出現很多重疊的區域，而且重疊面積比較廣。這些重疊區域在后續的建模中會嚴重影響數據的簡潔性和實用性，如圖4所示。

圖4 抽稀后的點云數據

所謂的點云格式轉換，是指為了將處理好的數據可以導入到建模軟件中經歷的必不可少的一個步驟。輸出的點云文件格式一般為.asc文件，需要將其改為.xyz格式文件，然后導入Autodesk recap 2016，轉換為Revit可以使用的兩種點云格式(rcp格式和rcs格式)。

1.2.2點云數據精度評定

為了分析拼接點云數據的總體精度，利用高精度Lecia TS30全站儀選取建筑物特征點和特征邊，利用極坐標測量和對邊測量的方法，進行點位坐標測量和邊長測量，將測量結果作為真值檢查點云數據的精度。

(1)坐標檢查

設某一特征點的全站儀測量坐標為(X0,Y0,Z0)，基于點云數據量取的特征點的坐標為(X1,Y1,Z1)，則：

本次試驗共選擇了20個特征點進行檢核，觀測數據如表1所示，計算點位中誤差為±0.0239m。

表1 特征點坐標與全站儀實測坐標對比表 m

(2)邊長檢查

基于點云數據量取10條特征邊長，與全站儀實際量取值進行對比分析，如圖5所示。通過數據比對計算所量取特征邊的中誤差為±0.0184m(表2)。

圖5 數據對比柱狀圖

表2 特征邊長與全站儀實測邊長對比表 m

從特征點和特征邊的檢查分析結果可以看出，掃描的點云數據精度較高，與高精度全站儀測量結果對比，誤差均在±5cm范圍，該精度完全可以滿足三維模型建立。

2 研究過程

基于加大住房保障,中央政府高度重視棚戶區改造,全國各地面對繁重的改造任務,普遍面臨的難題是資金短缺,影響項目推進[1]。在有限的資金和時間的影響下，傳統的GPS RTK和全站儀等二維測量技術已無法滿足現實中施工效率的需要，因此該改造將三維激光技術引入具體施工中，充分發揮目標物體表面三維數據中呈現出的快速、連續、自動等特點，整合多種傳統的測繪技術，并將其一體化，以快速獲取目標物體表面的三維點云數據。

2.1 模型重構

琿春陽光小區共有8幢樓，8幢樓設計一致，所以只需對其中一幢樓進行建模即可。每一幢樓長約65m，寬約13m，占地面積近900m2。

模型重構共分為7步，分別為點云數據導入、創建標高和軸網、創建墻族、創建門族和窗族、創建樓板、創建樓梯以及創建屋頂。經過對琿春陽光小區的模型重構，可以得到其立體三維模型，并以立面圖形式觀察模型姿態(圖6)，與外業實體觀測照片進行比對，檢驗其合理性和真實性。

圖6 琿春市舊房三維模型各立面圖

2.2 工程量統計

在CAD時代，CAD軟件是無法自動計算工程量的。工程量的統計有兩種方法：一種方法是需要造價預算人員根據圖紙或CAD文件進行手工計算。這樣既消耗大量的人力和時間，而且容易出現算量誤差。第二種方法是根據施工圖紙或CAD文件利用專門的工程算量軟件重新建模，再由計算機自動統計工程量，如廣聯達軟件、神機妙算軟件等，但是也同樣需要不斷更新模型信息，才能獲得有效的工程統計數據。

而Revit軟件包含了建筑項目各種構件的真實工程量信息，使計算機可以快速地統計和分析工程量，并且減少了復雜的人工計算和潛在的錯誤。同時，軟件具有“一處修改、處處更新”的功能，這樣就容易使工程統計數據與設計方案的一致。

琿春舊房改造項目從結構、建筑模型的建立開始，就對現場的內外墻、門窗、樓梯等參數進行統計(表3)。在進行舊房建模時就按照各構件參數進行1∶1建模，以便在進行預算工程量統計時快速有效地按功能類別進行統計，減輕了造價預算人員在繁瑣的圖紙算量中耗費大量的時間和精力，從而更合理地分析材料的損耗情況和實際成本使用情況，并根據統計數據估算出模板需求量，使該項目造價預算人員可以更好地監控施工班組的實際材料及損耗數量、詢價以及評估風險等工作。

表3 原外墻面積統計表 m2

改造完成后，實際工程量與原清單工程量對比，如表4所示。各項差值不大，符合項目要求，達到了預算的目的，圓滿完成了工程量預算的任務。

表4 工程量對比清單

3 結語

作為一種新型工程量統計方法，基于Revit三維建模的工程量統計，不僅可以提高統計的精度和效率，增加可視化效果，而且通過構建的三維模型，可以及時地掌握舊房每一個位置的集體情況，為現場指導施工提供基礎數據。此外，因測量現場施工場地狹小，建筑材料使用量大，材料堆放場地緊張的實際情況，利用模型軟件在模型中提取材料信息，結合總體施工計劃，統計出每個施工階段所需的各類材料使用量，在滿足施工工期節點任務的基礎上，編制出各施工階段所需材料的進場計劃，根據計劃提前做好材料的準備工作，及時組織材料進場，不僅緩解了現場場地狹小帶來的巨大壓力，也減少了材料在現場堆放過程中因儲存或防護不當產生的損壞和失竊，可靠保證材料一次性到位，減少了材料的二次搬運等問題，進而達到了保證工程質量、節約材料和加快施工進度的目的。