三維激光掃描技術在建筑立面施工中的應用研究

于 雷，陳 秋

（唐山市規劃建筑設計研究院，河北唐山 063000）

作為建筑工程施工的重要組成部分，測量放線結果的準確性關系后續施工作業能夠順利開展。隨著測繪領域的發展，測繪技術種類不斷增多，其中三維激光掃描技術具有很強的測量精度，并且非常適宜復雜環境條件下的測量，是現階段工程建設領域廣泛應用的先進測繪技術之一。特別是還具有測量便捷與效率高等優勢，非常適用于建筑立面等高難度的測量實踐中。

1 三維激光掃描技術的含義

作為一種實景復制技術，三維激光掃描技術本身是借助激光測距手段，通過對被測量物體表面大量離散點的相應坐標位置、紋理以及反射率等三位空間信息進行高速測量與記錄的方式來講被測物體的空間、面、體等多種類型的三維模型進行快速重構，或者完成專門制圖數據測定的一種高效的測量技術。與此同時，基于測量所獲取的測繪數據可以用來對有關模型或圖紙進行快速還原，所以非常適應于完成某些修復類的工作。比如建筑規劃領域、住宅工程建設領域、文物遺址保護及修復領域、交通事故責任認定領域、自然災害評估領域等等，這些都可以借助三維激光技術的有效運用來確保相應的項目操作擁有可靠的測繪數據支持。

2 建筑立面施工中三維激光掃描技術的應用優勢

立面施工是建筑施工的重要組成部分，也是施工難度比較大的一個施工環節，具體主要表現為立面施工涉及的施工工序對施工測量基準線的準確性具有較高要求，否則容易對整個建筑結構的豎向穩定性帶來不利影響，所以在建筑立面施工過程中一個關鍵的施工作業環節就是要對建筑立面施工做好測量放樣工作。在以往的建筑立面施工過程中，主要采用的測量方法與手段包括工程測繪方法、手工測繪方法、近景攝影測量方法等，如手工測量方法主要是借助掛齒、腳手架針等來對屋脊、墻體以及檐口等部位進行測量，以獲取建筑物的高度與長度等可靠、準確的數據，或者借助免棱鏡全站儀來對三維建筑物坐標進行測量，之后配合CAD軟件來對建筑立面圖進行繪制，以此可以實現對立面測量數據的有效測定，整體測量結果可靠性高。

相比于這些傳統的測量方法，三維激光掃描技術這種先進測繪技術主要具有如下方面的突出優勢及作用：①對所測目標具有比較低的要求。基于全站儀，借助反射棱鏡測量坐標的方式需要在棱鏡能夠折射到的位置處防治被測物體，這時候如果測量人員無法所測位置處比較危險，那么就不適宜使用該種測繪技術。而三維激光掃描技術可則可以有效解決以上涉及的測量問題，可以實現不接觸被測物體的狀態下開展測量操作。如果測量現場不適宜人員現場測量，或者現場地勢條件比較復雜，可能會存在遮擋視線的情況，那么都可以借助該種掃描測量技術來及時獲取現場測量的準確數據，相應的測繪結果準確性也會大大提升；②對觀測條件與環境具有比較低的要求。全站儀應用中需要借助棱鏡瞄準開展作業，所以對測量環境的光亮程度要求相對比較高，但是這種全新技術可以用于全天候觀測及測量；③具有比較高的測量精度。三維激光掃描技術應用下的測量定位結果精度達到毫米級，可以滿足建筑立面測量工作的精度要求；④具有豐富的測量數據獲取量。全站儀僅能夠對有限數目的特征點的位置信息等進行測定，但是基于三維激光掃描技術的靈活應用則可以實現極高的采樣速率，相應觀測目標具有比較多，所以可以更加細致的描述所觀測的目標。此外，鑒于建筑立面本身的工期比較緊，并且測量工作可能會對城市車輛及行人帶來一定影響，這時候傳統的測繪技術效率低。但是如果可以靈活應用三維激光掃描技術，那么可以快速、高效地掃描及測量建筑立面，這是傳統測量技術所無法比擬的巨大應用優勢。

3 三維激光掃描技術在建筑立面施工中的應用要點

3.1 采集點云數據

在應用三維激光掃描技術測量建筑立面過程中，需要嚴格按照“先外業，后內業”的流程開展施工測量作業。鑒于不同掃描儀具有不同的作業方式，但是它們大都需要按照整平、定向與掃描這一流程開展測量作業。在同一坐標系中拼接點云數據，可以實現批量導入數據，這樣可以降低因為測量人員主觀意識問題或者野外作業工作量過多等造成的作業偏差問題。而借助三維激光掃描技術測量立面中，首先需要采集點云數據，相應的要點如下：要做好建筑立面施工現場的實地勘查工作，結合現場的實際情況來科學地對掃描的各個站點進行科學布設。鑒于立面測量中不需要進行連續測量，所以這樣可以降低立面測量的難度，提高其整體測量的質量與效率。而在野外立面測量實踐中，可以結合三維激光掃描的角度及距離來對各個掃描的站點進行科學布設，并且一般在中心位置處進行點云數據采集點布設，力求可以更好地提高整體采集數據的可靠性與準確性。但是如果所測建筑高度有所不同，那么在引入三維激光掃描技術過程中可以借助不同梯度來對掃描的高度進行確定，并且本著循序漸進的原則來獲取相應的點云數據。

基于數碼設備具有比較高的分辨率，在保證測量要求滿足規定要求的基礎上，要注意盡可能多選一些角度來獲取建筑立面數據以及紋理數據等。其中繪制建筑正立面中非常關鍵的數據之一是紋理數據，但是在開展野外測量過程中需要注意盡可能地展現出建筑立面特征，力求可以直觀地展現出建筑物的外表特征。此外，在獲取建筑立面的數據期間，還要注意構建相對比較完善的掃描測量控制網，保證其預設精度的準確性，這樣才能更好地控制最終立面繪圖結果的準確性，如可以設置兩級布網方式作為控制網。與此同時，還需要依據拐點與樓層來對一些低層單棟建筑進行劃分。而在測量那些具有高測量精度的復雜樓層信息數據過程中，可以靈活地應用精細掃描法、多次掃描法、間隔采樣法等多樣化的掃描手段與方法，保證可以極大地提高數據獲取的準確率和效率。但是要結合實際的建筑立面施工需求，并要保證數據獲取的精度滿足實際的使用要求和規定。而一旦獲取的建筑立面施工數據存在誤差，那么會對后續的數據分析及應用帶來不利影響。

3.2 處理點云數據

在獲取充足及準確數據的基礎上，需要及時對這些數據進行合理處理，主要要點如下：

（1）配準點云作業。需要借助專用軟件來處理獲取的點云數據。如果僅僅借助該種測量技術是無法對建筑立面外貌進行直觀了解的，加上不同掃描站點所獲取的點云數據位于不同坐標系當中，所以為了提高所獲取測量數據的可靠性與精準性，要注意及進行配準點云這一基本操作。此時一般可以借助RieglVZ-400和Riscanpro軟件來對所獲取的點云數據開展拼接處理，可以分成粗略配準和精準配準兩種情況。其中前者無法準確地確保所獲得測量數據結果的準確性，厚澤則可以配合Pro軟件來對點云位置進行精準確定，這樣可以為后續的模型生成提供可靠、準確的數據支持。

（2）生成云模型。在點云配準之后，所測數據可以集中于同一個坐標系當中，借助去噪平滑處理來對所獲取的點云數據進行有效處理，并科學構建點云模型。鑒于野外測量多在夜晚開展，掃描儀所獲取的物體信息中包含有許多不需要用于點云模型構建的數據，如綠地、光照及行車等噪點。這些噪點的存在不僅會增加數據處理的難度，也會對地物特征判斷準確性帶來不利影響，所以要注意做好去噪處理工作來減少車流量或人等因素對測量帶來干擾或其他不利影響，大大提高了野外數據采集結果的準確性。在去噪中，可以采取人工方式來進行去噪處理，并將不必要數據進行及時剔除，這樣就可以在Geomagic當中輸入處理后的點云數據。

3.3 繪制建筑立面圖

該測量技術有比較高的數據采集精度，所以需要在保證所獲取運輸局精準性的基礎上開展建筑立面圖繪制作業。通過有機結合點云立面圖和數字影像，可以準確地將建筑的外立面繪制出，尤其是可以將建筑的特征進行生動刻畫與直觀呈現，從而可以更加有效地展現出建筑物的整體立面情況。與此同時，由于三維激光掃描技術涉及比較大的數據量，但是CAD加載中涉及比較少的點云數據，這就需要在實際的作業實踐中采取切割機簡化的方式處理點云數據，并將它們錄入到Geomagic軟件中，在經過切割處理和簡化處理之后以DXF格式輸出相應的數據。然后可以借助CAD軟件來繪制建筑的立面圖，期間需要結合具體的建筑工程建設及施工現況，采取動態設計思路來對相應坐標進行動態化調整與合理變更，力求可以使各個斷面的內容進行完整、直觀地展現，這樣可以大大提高了建筑立面圖的繪制效果。

總之，三維激光掃描技術可以高效支撐建筑立面施工過程中相關立面數據測量，有利于極大地提高相關立面數據測量結果的準確度與效率，并且極大地降低了相應工人的勞動強度，相應的測量消耗總成本較低。但是實際的建筑立面測量實踐中要注意嚴格按照規定的測量流程及要求等，切實做好對點云數據的采集與處理，科學地進行建筑立面圖繪制幾個關鍵的測量工作，保證最大程度提高立面測量結果的準確度。