三維激光掃描在建筑中的應(yīng)用

陳 竣

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人口數(shù)量激增，導(dǎo)致城市人口的密集度也越來(lái)越高，隨著人們對(duì)城市建筑的要求越來(lái)越高，城市的格局規(guī)劃和環(huán)境問(wèn)題也在迅速的凸顯。而這些問(wèn)題在隨著電子計(jì)算機(jī)械進(jìn)入建筑行業(yè)之后被解決掉了大部分，其中三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為了整個(gè)建筑行業(yè)的核心技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的測(cè)繪方法，三維激光掃描技術(shù)隨著其精度高、安全性好、測(cè)量快等特點(diǎn)迅速擠占了傳統(tǒng)的測(cè)繪市場(chǎng)，因此，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在建筑領(lǐng)域工程中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三維激光掃描概述及技術(shù)原理

在測(cè)繪行業(yè)工作過(guò)的人們都知道傳統(tǒng)的測(cè)繪方式是一種單點(diǎn)精確測(cè)量方式，雖然這種測(cè)繪方法測(cè)量的精度高在缺點(diǎn)也在這里，精度高也就代表著測(cè)繪速度慢、消耗時(shí)間長(zhǎng)、打點(diǎn)速度慢等缺點(diǎn)，因此這種測(cè)繪方式應(yīng)用于簡(jiǎn)易的建筑體測(cè)量是一種不錯(cuò)的選擇，但面對(duì)如今越來(lái)越多的超高建筑體及非正常結(jié)構(gòu)建筑體的測(cè)量就顯得有很多的不足，這種超高建筑體以及非正常結(jié)構(gòu)建筑體所需要的點(diǎn)數(shù)據(jù)動(dòng)輒就是數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)的點(diǎn)數(shù)據(jù)，而且由于建筑的超高型建筑，很多的點(diǎn)位數(shù)據(jù)是很難進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量的并且測(cè)量的危險(xiǎn)性極高。

三維激光掃描技術(shù)是一種進(jìn)入二十世紀(jì)之后才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的新型測(cè)繪技術(shù)，這是測(cè)繪領(lǐng)域在GPS技術(shù)的應(yīng)用，RTK測(cè)繪技術(shù)之后的再一次技術(shù)革新，他在傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式基礎(chǔ)上進(jìn)行了改革創(chuàng)新，一種多點(diǎn)式測(cè)量方式也就是三維激光掃描技術(shù)被成功研發(fā)，因?yàn)槠錅y(cè)繪速度快、精度高、效率高等特點(diǎn)被快速應(yīng)用在建筑行業(yè)并廣受歡迎。

其技術(shù)原理大致可分為3大類(lèi)：1）脈沖式測(cè)距，脈沖式測(cè)距的技術(shù)原理是利用三維激光掃描儀發(fā)射出激光脈沖信號(hào)，再利用掃描儀中的棱角反射到被測(cè)物體的表面，再由掃描儀接收反射回來(lái)的信號(hào)，最后根據(jù)激光脈沖信號(hào)發(fā)射的時(shí)間和接收到激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算出三維激光掃描儀與被測(cè)物體表面的實(shí)際距離，這種測(cè)距技術(shù)所能應(yīng)用的測(cè)距距離是最遠(yuǎn)的；2）相位式測(cè)距，所謂相位式測(cè)距，是指在三維激光掃描儀發(fā)射激光脈沖的時(shí)候，對(duì)其激光脈沖幅度進(jìn)行調(diào)制，然后計(jì)算出激光脈沖從發(fā)射到接收之間的相位差，結(jié)合激光的波長(zhǎng)和相位差最終計(jì)算出激光從發(fā)射到接收的傳播時(shí)間，從而計(jì)算出掃描儀與被測(cè)物體表面的實(shí)際距離。這種測(cè)距技術(shù)應(yīng)用的測(cè)距距離僅次于脈沖式測(cè)距；3）三角法測(cè)距，三角法測(cè)距是根據(jù)掃描儀的正長(zhǎng)寬高等數(shù)據(jù)以三角形幾何數(shù)據(jù)理論測(cè)算出掃描儀與被測(cè)物體表面的實(shí)際距離，但這種測(cè)距方法的測(cè)距距離范圍比脈沖式測(cè)距以及相位式測(cè)距都要小很多，一般情況下，這種測(cè)距方法只會(huì)用于幾十米范圍內(nèi)的測(cè)距，在此范圍內(nèi)掃描出來(lái)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)精度是最高的。

2 三維激光掃描技術(shù)在建筑測(cè)繪中的應(yīng)用特點(diǎn)

三維掃描技術(shù)可以在不對(duì)實(shí)物的表面進(jìn)行任何處理的情況下，直接從實(shí)物中快速的進(jìn)行逆向三維數(shù)據(jù)的采集和模型重構(gòu)，它能夠保障這種采集到的數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。這種技術(shù)最大的特點(diǎn)是他可以深入到各種復(fù)雜的空間當(dāng)中去進(jìn)行掃描以及數(shù)據(jù)采集，由于其高精度、高效率的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，也被成為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。

三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)大致可分為幾點(diǎn)：1）高效性，與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比，三維激光掃描儀可以在一秒內(nèi)打出數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，快速的完成數(shù)據(jù)采集，從而在電腦內(nèi)形成三維數(shù)據(jù)圖像，其測(cè)繪的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的單點(diǎn)精確數(shù)據(jù)采集；2）高精度，傳統(tǒng)的測(cè)繪方式是通過(guò)對(duì)單點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合然后繪制出測(cè)繪面，而三維激光掃描儀可以用數(shù)百萬(wàn)個(gè)激光脈沖信號(hào)測(cè)量出測(cè)繪面的數(shù)百萬(wàn)個(gè)測(cè)繪點(diǎn)，且能夠調(diào)節(jié)分辨率來(lái)達(dá)到對(duì)精度的需求，掃描出的數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)中建立出三維立體模型，其精度細(xì)節(jié)要比傳統(tǒng)的測(cè)繪方式要精確很多；3）高安全性，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)在對(duì)超高型以及非正常結(jié)構(gòu)的建筑進(jìn)行測(cè)繪的時(shí)候，由于很多點(diǎn)位難以測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量的安全性大大降低，而三維激光掃描儀是通過(guò)非接觸的方式，通過(guò)自動(dòng)化的操作系統(tǒng)，將參數(shù)設(shè)置好之后，掃描儀會(huì)自動(dòng)的旋轉(zhuǎn)，采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，大大提高了其測(cè)繪環(huán)境的安全性，而且由于三維激光掃描儀是一個(gè)自動(dòng)化的機(jī)械軟件，因此其測(cè)繪流程與操作手法要比傳統(tǒng)的測(cè)繪方式簡(jiǎn)要的多。

3 三維激光掃描技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用

現(xiàn)階段的三維激光掃描技術(shù)在相關(guān)部門(mén)的有力推動(dòng)下，其技術(shù)越來(lái)越成熟，在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用制度也越來(lái)越完善，采集到的數(shù)據(jù)建立的模型庫(kù)也越來(lái)越大，因此三維激光掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，特別是建筑領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)以及成為了核心技術(shù)之一。

3.1 三維數(shù)據(jù)逆向建模

三維激光掃描技術(shù)是保證建筑施工實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的核心技術(shù)，施工人員可以采用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量采集，然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為之后的施工流程提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。三維激光技術(shù)應(yīng)用最多的是在超高型建筑和非正常結(jié)構(gòu)建筑中，利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)整個(gè)工程的相關(guān)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，隨后在計(jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)掃描出的這些數(shù)據(jù)建立起三維數(shù)據(jù)模型。

比如我們?cè)趯?duì)一個(gè)非正常結(jié)構(gòu)建筑做一個(gè)外部裝飾如鋪設(shè)玻璃幕墻或者給建筑加設(shè)一個(gè)懸空臺(tái)，但是施工人員在進(jìn)行建設(shè)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)實(shí)際的數(shù)據(jù)其實(shí)跟設(shè)計(jì)圖上的理想數(shù)據(jù)是有一部分的偏差的，導(dǎo)致現(xiàn)有的材料構(gòu)件無(wú)法按照原有的安裝方式進(jìn)行安裝，這就需要施工人員利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)整個(gè)平臺(tái)或建筑面進(jìn)行掃描，然后結(jié)合建筑的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，最終由施工人員根據(jù)新的設(shè)計(jì)圖完成建筑工程的安裝。

傳統(tǒng)的施工測(cè)繪技術(shù)單點(diǎn)采集較為精確，但多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集特別是三維數(shù)據(jù)采集，其精確度較差，不僅延長(zhǎng)的工期，還對(duì)建筑的工程質(zhì)量和最終效果有著極大的影響。施工人員可以基于現(xiàn)有的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)逆向建模工作，從而達(dá)到控制建筑工程成本、降低建筑施工風(fēng)險(xiǎn)、提高工作效率等目標(biāo)，給后續(xù)的工程建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.2 工程量及工程質(zhì)量分析

對(duì)建筑工程的工程量和工程質(zhì)量分析需要從施工過(guò)程和施工完成之后進(jìn)行分別分析。

在施工過(guò)程中，施工人員可以利用三維激光掃描技術(shù)采集到的建筑主體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后件計(jì)算機(jī)中建立起相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)模型，然后將這個(gè)三維數(shù)據(jù)模型與施工的CAD模型和BIM模型進(jìn)行三方對(duì)比，對(duì)于存在誤差的模型位置，需要利用現(xiàn)有的技術(shù)和施工工藝進(jìn)行修正，從而提供一份高精度的工程建設(shè)方案，從而達(dá)到縮短工期、提高工作效率、減少經(jīng)濟(jì)損耗等建設(shè)目標(biāo)，確保工程的順利進(jìn)行。

對(duì)于施工完成也就是即將竣工的建筑，就需要施工人員對(duì)建筑的表面積進(jìn)行計(jì)算，特別是對(duì)于超高型以及非正常結(jié)構(gòu)的建筑體，其面積就需要更精確的計(jì)算，這不僅關(guān)系到施工單位與建筑企業(yè)方的后期核算，也關(guān)系到能否從數(shù)據(jù)中建筑的安全性和使用合理性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估。傳統(tǒng)的測(cè)量方式由人工利用全站儀等精密測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，但跟三維激光掃描技術(shù)相比傳統(tǒng)測(cè)量方式的危險(xiǎn)性還是要大得多，并且采用傳統(tǒng)測(cè)量方式還具有測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)精確度差、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等特點(diǎn)。

3.3 運(yùn)維管理與變形監(jiān)測(cè)

建筑工程驗(yàn)收環(huán)節(jié)最重要的是運(yùn)維管理與變形監(jiān)測(cè)，建筑企業(yè)單位將大量的時(shí)間、金錢(qián)和資源投入到建筑工程當(dāng)中，就是為了工程在后期的運(yùn)營(yíng)階段能夠達(dá)到預(yù)期中的營(yíng)收額，所以建筑企業(yè)方可以依據(jù)三維激光掃描技術(shù)采集的數(shù)據(jù)制定出科學(xué)合理運(yùn)維管理制度，從而簡(jiǎn)化運(yùn)維流程、降低運(yùn)維成本、可及時(shí)對(duì)改、擴(kuò)建計(jì)劃作出調(diào)整。

將三維掃描技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分利用起來(lái)，可以給構(gòu)建自動(dòng)化、信息化、智能化以及一體化的智能運(yùn)維管理平臺(tái)提供可靠的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，提高了對(duì)施工空間、機(jī)械設(shè)備、企業(yè)資產(chǎn)的綜合性管理的高效性。

變形監(jiān)測(cè)工作在整個(gè)工程生命周期內(nèi)占據(jù)重要地位，他不僅決定了工程質(zhì)量，還直接影響著建筑結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。在對(duì)被測(cè)建筑進(jìn)行全方位掃描數(shù)據(jù)采集之后，與建設(shè)施工中采集的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如出現(xiàn)誤差，就要制定出可靠性與可行性較強(qiáng)的變形改良方案，從而保證建筑工程質(zhì)量。

4 三維激光技術(shù)在建筑重建中的應(yīng)用

建筑是一部石頭史書(shū)，無(wú)論是古建筑還是近現(xiàn)代建筑，他都有一個(gè)時(shí)代的特征表現(xiàn)在建筑物上，這些建筑物記錄了一個(gè)時(shí)代的發(fā)展和興衰，無(wú)論是對(duì)于一個(gè)國(guó)家還是對(duì)于一個(gè)民族，都有著極其總要的幾年意義。隨著三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)，給破損或者遺失的建筑的修補(bǔ)或者重建帶來(lái)了可能性，但是由于技術(shù)限制，如今還有許多問(wèn)題需要攻克。

5 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)在建筑中的應(yīng)用最重要的是給建筑工程提供了精確而可靠的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)是保證建筑工程質(zhì)量和效率的核心依據(jù)，因此三維激光掃描技術(shù)是建筑工程的核心技術(shù)之一，且由于其精度高、效率高、安全性高等特點(diǎn)，其應(yīng)用前景極廣，相信通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的研究，能夠給建筑行業(yè)帶來(lái)勃勃生機(jī)。