建筑測繪中三維激光掃描技術的應用研究

周 楓 朱 丹

江蘇省地質礦產局第二地質大隊 江蘇 常州 213022

伴隨著我國市場內部建筑行業的發展，我國的城市化水平和現代化建設水平不斷得到提高，城市內部的建筑工程項目整體規模和建設總量不斷的擴大。在工程建設項目的施工過程中，測繪工作作為整體施工流程的重要組成部分，其工作質量和工作效率會直接影響工程項目的整體建設質量和安全性能[1]。所以，相關的施工單位必須針對施工過程的測繪工作進行嚴格的監督管理，提高測繪工作的整體工作質量和測繪精確度。在測繪工作的具體工作環節中，相關的測繪工作人員可以結合工程項目的具體特點和實際情況，有選擇性的實施三維激光掃描技術進行建筑測繪數據的收集和處理工作，通過這種方式可以有效的彌補傳統人工測繪工作的缺陷，提高測繪工作數據獲取的精確度和分辨率，保障工程項目整體的建設質量和安全性能。

1 三維激光掃描技術和建筑測繪概論

傳統的針對建筑物進行數據測量工作的測繪方法一般是通過使用標尺、測距儀、全站儀等常規器具對建筑物進行人工測量工作，這種落后的測繪方法不但需要浪費大量的人力資源，同時由于受制于落后的測繪技術手段，無法對建筑物進行精確的三維模型的建立，對于建筑主體中的各項數據和測量指標以及建筑物自身的結構特征都無法實現精確詳細的表達，并且由于傳統測繪工藝自身的技術水平限制，在進行數據測量的過程中容易對建筑物產生損傷[2]。所以為了提高建筑測繪工作的工作質量和整體的測繪技術水平，做到精確的建立三維數字化建筑模型，從而高效的進行建筑測繪工作，有關單位和部門應當結合自身的行業發展現狀和特征，有選擇的引入高新科技設備，例如現階段被建筑測繪行業廣泛使用的三維激光掃描儀，從而實現自身行業的技術革新。

三維激光掃描技術是近些年來測繪科學研究領域新的發展突破，是新型的科學技術測繪手段，在當前我國的測繪工作中已經實現了廣泛的應用并為國內測繪行業的發展起到了重要的積極作用。三維激光掃描技術與現代高精度傳感技術二者相結合，極大的增加了建筑測繪信息數據獲取的精確度和分辨率，同時具有工作效率高、定點精確度高、測量范圍廣的特點，能夠有效的解決傳統人工測繪工程中存在的缺陷，有力的推動國內測繪行業的良好發展，提高了建筑行業整體的工作質量和安全可靠性，提高了工程項目規劃設計方案的科學性和規范性[3]。

2 三維激光掃描技術的技術原理和應用優勢

2.1 三維激光掃描技術的應用技術原理

三維激光掃描技術又被稱為三維實景復制技術，在實際的工作流程中，需要使用激光掃描設備對需要檢測的區域進行實景掃描獲取數據，并依據獲取的數據對實際場景進行數字化建模，一般情況下設備可以收集到的數據包括被檢測區域的環境要素信息、檢測控制點位信息、被測建筑物體表面的光照反射強度等。數據通過對顏色信息的收集，構建出三維空間點云數據模型，可以針對被掃描的建筑物體的環境、建筑主體、內部結構等部分區域進行實際的數據繪制和研究工作。

目前國內的測繪行業中，三維激光掃描技術的主要應用領域是被測建筑物主體建立三維坐標系來進行測繪工作，在確定被測物體精確的三維坐標后，主要的數據信息包括距離、掃描、方位、角位移等信息。通過對這些數據的精確獲取可以有效的保證測繪工作的工作質量。

（1）在遙感測繪工作環節，通常是利用三維激光技術對被測建筑物的主體進行遙感測繪分析工作。常用的測繪方法主要有相位測量法、脈沖測量法、三角剖分法三種。在以上的各種遙感測繪方法中，最常使用的就是相位測量法。通過使用相位測量法進行遙感測繪工作，可以有效的實現對光學信號的被測距離進行分析和計算，從而形成相對差值的調制工作，并依據實際的測量數據和計算結果，確定被測距離隨時間變化的具體形態信息。這類測量方式在一些對數據精密度要求較高的領域經常應用，例如醫學領域[4]。而三角剖分法在測量距離的分析過程中主要是要通過對幾何學的應用，對測量數據的幾何關系進行計算和分析實現對被測物體距離數據的準確測繪，這種三角剖分法在近距離的測量工作中被廣泛的應用。最后是脈沖測量法，通過脈沖的發射和接受形成時差獲得距離測量數據，并針對測量數據進行分析和計算進行遙感測繪工作，這種脈沖測量法被廣泛的應用在三維激光掃描設備。

（2）在角位移的數據測量工作以及對數據的分析和計算，角位移測量數據是三維激光掃描數據的關鍵測量要素。在實際的數據測量和分析工作環節，需要針對線性位移數據和角位移數據兩種不同的數據進行測量。針對直線位移數據的測量工作，通常會用到CDD設備、直角棱鏡、激光發生器等設備進行組合形成系統性的測量規劃，對被測物體的直線位移數據進行精準的測量和分析。而對于角位移數據的測量和分析工作，需要對被測物體的角位移幅度數值進行測量和分析，針對數據的分析和計算結果得到步距角等數據，從而獲取對角位移數據的實際數值。

（3）三維激光掃描技術從本質上來講，是對被測建筑物主體掃描和定向的技術。其中，掃描是為了獲取被測建筑物主體的空間坐標精確數據，也是三維激光掃描的重要環節。通過設備向被測建筑物主體發射激光進行掃描，根據激光的發射和接收時的差值也就是激光的具體往返時間以及相位差值進行測量和計算工作，獲取精確的距離數據。在對被測建筑物主體進行掃描的時候，由掃描測量系統的內部時鐘對設備的編碼器進行控制，從而精確的測量縱向和橫向的角度值，保證獲取數據的準確性。并通過使用相關的計算公式，對被測點位的三維空間坐標系和位置坐標進行計算工作，從而獲取被測點位的三維空間坐標值。在對被測物體進行定向操作的工作環節，需要將獲取的掃描坐標系數據轉換成大地坐標系，從而計算出被測建筑物主體的方向識別標志的具體中心坐標，從而實現支持坐標公共點的轉換工作。通過對坐標系和轉換應用系數的使用，可以精確的獲取被測物體的各種測繪數據[5]。

2.2 三維激光掃描技術的應用優勢

相較于傳統的測繪技術，三維激光掃描技術更具有現代化的發展意義，通過使用先進的三維激光掃描儀可以實現建筑物測繪工作全流程的自動化運行，并且通過這種方式獲取的數據精確度和分辨率都得到了極大的提升，對測量數據的矯正工作等環節，相較于傳統的建筑測繪技術而言受到的時間和空間的約束限制更小，技術的適應性能更加強大。目前，三維激光掃描儀主要采用非接觸式的掃描技術對被測建筑物進行測繪工作，這種技術不依靠反射棱鏡的使用，可以直接對被測量建筑物的數據采集目標進行三維立體式的激光掃描工作，從而獲取需要的建筑測量數據，并且數據采集工作的全流程都可以由三維激光掃描儀自動完成，不需要人工參與[6]。另外，在實際的測繪工作中使用三維激光掃描儀進行測繪，可以有選擇性的超出既定測繪范圍，從而有效保證測量工作獲取數據的完整性和可參考性，有效避免了傳統建筑測繪技術受限于空間條件而無法保證數據全面性和完整性的缺陷。在進行相關的數據掃描工作的過程中，相關的工作人員不需要對測量范圍進行草圖繪制工作或者針對測量范圍進行規劃測量，只需要在整體的測繪工作流程中做好三維激光掃描儀的部署與設置工作，安排好整體的工作方案就可以由儀器自行完成數據的測量、獲取、收集、計算、分析、上傳等工作，極大的提高了測繪工作的工作效率和工作質量。

在測繪工作的三維激光掃描儀具體使用過程中，可以利用其自身的掃描光束針對設備的激光發射信號進行檢查工作，確認激光的發射信號是否可以正常的獲取被測建筑物的位置信息。這樣可以保證整體的激光掃描工作不會受到周圍環境和其他建筑物的阻擋和約束，有效提高三維激光掃描的數據獲取速度和精確度，實現對被測物體和建筑物主體的高密度激光掃描和數據采集工作，提高測量數據的整體分辨率和精確度，減少測量過程中的數據遺漏的情況發生。

3 建筑測繪工作中三維激光掃描技術的具體應用策略

3.1 建筑測繪工作的具體工作流程

在建筑測繪工作中引入三維激光掃描技術的應用，可以顯著提高建筑測繪工作的工作質量和工作效率。目前國內建筑測繪工作主要分為前期準備階段、外部施工環境數據的采集階段以及針對采集數據的內部綜合處理階段，直到生成最終的測繪工作成果。首先，在建筑測繪工作的前期準備階段，需要針對工程建設項目的基本情況和規劃方案進行必要的分析和了解，對項目的實際建設情況做到全面的掌握。并針對實際的建設情況分析測繪工作可能會遇到的困難和難點以及具體的需要，結合施工現場的具體特點作出綜合的考量，確定建筑測繪工作的整體工作規劃、測繪工作路線、技術人員的配置和需要使用的各種專業設備和儀器，為正式的建筑測繪工作奠定扎實的工作基礎。在針對現場數據進行數字化構建的工作環節，相關的測繪工作人員應當確定測量現場的具體位置信息以及相關的數字化構建工作的參數依據，通過使用三維激光掃描儀對被測物體和建筑物主體進行整體的掃描測量工作。

3.2 建筑測繪工作中的外業數據收集環節

在實際的三維激光掃描技術的應用過程中，針對施工現場進行的數據采集工作質量和數據的準確度會直接影響最終的三維建模工作成果，其中最主要的影響因素就是人的影響因素。在針對施工現場進行數據采集的工作環節，在采用先進測量技術的基礎之上，相關的測繪工作人員可以有選擇的增加測量工作的靈活機制，從而減少測量設備與被測物體之間的距離。測繪點的云數據拼接工作是整體測繪數據處理階段的關鍵環節和工作難點，在測量工作的進行過程中，需要保證各個測量站的前后之間有30%左右的重疊區域，從而保證每一個既定的測繪點位之間形成完整的測繪平面。位于中心點的測量目標可以設置在鄰近的測繪點位周圍，為后續的測繪點位設置工作提供參考依據。而三維激光掃描儀的掃描參數設置和測繪點云數據拼接的質量有著密切的關聯，因為激光掃描的點位頻率參數具體設置將直接影響被測目標的識別距離和測繪點云數據拼接的精準度。在測量工作中，需要使用不同的三維激光測量評價率對數據進行多次的實驗對比和分析工作。

3.3 測繪站點的設置工作

在三維激光掃描技術的實際操作過程中，需要針對掃描收集的數據信息和測繪站點接收到的數據進行對比分析，所以在測繪站點的位置確定工作環節，需要全面的考慮現場周圍的地形因素，將測繪站點主要設置在高地或者視野寬廣的地區進行設立，這樣可以有效保證整體的測量工作不會受到地形的阻礙和影響。對于被測區域也可以實行控制點位的設置，然后將測繪站點設置在控制點之上，并對控制點位進行整平，由于在三維激光掃描技術的實施過程中，涉及到的坐標系點位都是相互獨立的，所以對于測繪站點的設置要保證其位于激光的行進路線上，激光掃描過程中數據可以在不同的測繪站點之間進行相互的傳播，做到全面且完整的數據收集，避免數據獲取混亂的情況發生。

3.4 測繪工作的正式工作環節

在保證測繪點位的合理布置基礎之上，需要對站標和儀器進行架臺和設置工作，這樣才能使用三維激光掃描技術對被測物體和區域進行掃描作業。在保證前期準備工作完備的基礎上，三維激光掃描技術在每一站的掃描過程需要約四分鐘，同時，在激光掃描的過程中為了進一步提高數據測量的工作質量，保證測量數據獲取的準確性，可以在鎖車的區域開啟外置全球定位系統，保證整體的坐標系統可以滿足激光掃描的需求。在激光掃描工作階段結束后，如果獲取的數據未能達到規劃要求，或者整體數據信息存在著明顯的缺陷和漏洞，可以針對部分有缺陷的區域重新進行激光掃描，保證數據獲取的完整度和精確度。另外，在整個三維激光掃描階段，也可以通過使用棱鏡全站儀，防止被測物體或區域周圍的建筑物或者其他因素對測量過程產生不利影響，進一步提高數據獲取的整體質量。同時，在控制點位的附近范圍，可以設置十字靶心，保證數據測量結果整體的統一性和均勻性，避免出現被測區域掃描不全的情況發生。

4 結束語

綜上所述，在建筑測繪領域應用三維激光掃描技術，可以實現對建筑物主體測繪工作的整體工作質量的提升，通過對測繪圖點的定位工作，可以在短時間內采集到大量的測繪圖點的建筑物參數信息。由于三維激光掃描技術本身的先進性和科學性，可以對測繪數據的實際測量距離和角度數據進行實施的數據采集工作，同時保證數據獲取的精確度和分辨率，相較于傳統人工的建筑測繪工作，其測繪數據的可靠性和參考價值得到了極大的提升，為工程項目的設計規劃人員和建設施工人員提供了更為精確的施工坐標系數，可以有效的優化整體的測繪工作效果，為工程項目的整體建設質量和安全性能奠定了堅實的數據基礎。