三維激光掃描儀在臨街老舊建筑改造中的應用

三維激光掃描儀在臨街老舊建筑改造中的應用

王興

(徠卡測量系統貿易(北京)有限公司南京辦事處，江蘇 南京 211106)

一、引言

隨著城市的不斷發展，街道兩側既有建筑已不能滿足現代街道商業化的要求，而兩側建筑立面上大小不一、顏色各異的廣告位，以及因老舊或維護不當導致雜亂無章的居民樓和商鋪，逐漸成為破壞街道整體形象的元素(如圖1所示)。為了給城市人民提供一個整潔有序的城市環境，需要對城市進行整體規劃，將臨街外立面整體化、統一化、控制引導化。通過統一的色調、尺寸、規劃設計，對街區內無序的臨街商業廣告、墻面、門面等進行整合或處理。

在改造前期，對這些建筑進行復雜的測繪和統計工作是主要任務。傳統三維數據主要獲取方式如GPS高精度定位、全站儀等，雖然其測量精度可以完成測繪的要求，但是，傳統方式采集點位信息的工作量較大，人工參與度較高，具有一定的危險系數，對于大面積臨街改造前期的測繪工作而言，傳統方式的實施難度日益凸顯，而三維激光掃描測量技術在該方面則具有明顯優勢。

圖1　雜亂的臨街老居民樓

三維激光掃描技術目前已被廣泛應用于各個行業，如測繪、計量、應力分析、建筑、仿真分析、科考等，技術也趨于成熟，在各行業的工程案例中均有成功的應用。但是其在國內的應用目前還處于初級階段。這主要是因為作為一種新的測量技術，其與傳統測繪的結合，以及在測繪領域中的應用，還需要逐步摸索和優化，需要總結工程解決方案并形成一定的標準和規范；另外，作為新技術，雖然它具有替代部分傳統測繪作業的可能，但在傳統測繪領域的普及應用還需要一段時間。不過，隨著三維激光掃描技術的不斷發展和商業化的成熟，這種新技術的應用領域和范圍也必定會不斷擴大。

三維激光掃描技術采用非接觸式的激光測量方式，無須反射棱鏡，采集可見目標表面點云的三維坐標信息。在目標體積過大、掃描環境惡劣、人員無法到達區域的情況下，傳統測量技術難以完成。高精度、高分辨率的三維激光掃描儀能對目標點描述細致，突破單點測量形式，人們可以通過豐富的點云來快速掌握建筑物體具體輪廓和外觀。本文將展示利用徠卡P40三維激光掃描儀完成老舊臨街建筑外立面掃描的工作。

二、徠卡P40三維激光掃描儀在臨街建筑改造中的應用

1. 徠卡P40三維激光掃描儀

徠卡P40三維激光掃描系統是徠卡公司2015年全球同步推出的一款三維激光掃描系統，集C10的大掃描半徑和外置相機功能、P20的超高掃描速度和8″水平垂直角精度、iPhone的HDR高質量照片成相技術于一身，是徠卡測量20多年研發三維激光掃描技術的智慧結晶。P40特點如下：

1) 掃描效率高。P40具有100萬點每秒的掃描速率，能在很短的時間內獲取復雜建筑外立面輪廓點云數據。

2) 續航時間久。全新GEB242電池保證P40超長續航能力，廠家標稱的7 h續航趨于保守，按照實測，兩塊電池完全能支持10 h不間斷外業掃描作業，為連續性掃描工作提供持超長續航時間保證。

3) 掃描半徑大。在34%的低反射率的情況下掃描半徑達到270 m有效值，對于遠距離的建筑群，能輕松掃描，無須擔心數據不足問題。

4) 內置256 GB的大容量固態硬盤；IP54防塵防水技術保證了儀器外業的可靠性。

2. 工程案例

本次項目現場位于廣東省珠海市，珠海屬亞熱帶海洋性氣候，常受南亞熱帶季候風侵襲，多雷雨。4—9月盛行東南季風，為雨季，降水量占全年的85%。這種環境對于外業人員是一種考驗，因此外業工作須快速高效完成。

由于需要改造的臨街建筑群大多是在20世紀80年代末到90年代初期建成，在這種亞熱帶海洋性氣候的作用下，建筑外立面被雨水浸泡嚴重，外加人們維護不當，導致珠海市大量此時期的住宅類建筑或商鋪過于老舊，嚴重影響珠海城市面貌。

在改造前期，需要對建筑進行前期工程測繪，然后通過得到的測繪圖紙進行工程預算和改造設計。一般臨街改造一棟居民樓需測得建筑輪廓、窗戶、空調外機、廣告牌、防盜窗等信息，工作量較大，耗時長久。需要改造的建筑群零星分散，且外形差異較大，需要提供全部樓宇平面圖及屬性圖。本次項目獲得的點云數據如圖2所示。

P40配套全新的Cyclone9.03軟件，能切實解決點云拼接問題。9.03版本有全新的拼接功能，以往20站需要1.5 h才能拼合起來的數據，現在可能只要0.5 h。這個功能對于拼接精度要求不是特別高，而工期又很緊張的項目尤為適合。外業無須擺放或掃描標靶，只要在內業進行高速拼合即可，大大節約了外業時間，減輕了外業人員勞動強度。

圖2　點云拼接成果

對于外立面改造，需要提供建筑外立面圖。徠卡配備的Cloud worx for CAD 插件能很好地解決這一問題。在Cyclone軟件的插件“Cloud worx for CAD ”中，可對建筑外立面進行高效繪制。為提高二維圖紙繪制的準確性需要事先規范化操作，且需要雙方遵循圖紙繪制規范，這便于成果提交及后期查看和管理。

Cloud worx for CAD 插件是徠卡廠家自身研發的一款基于CAD軟件的插件。使用這款插件無須導出任何中間格式的點云數據便可輕松在CAD軟件中讀取點云，且不會影響CAD運行速度。有了點云數據，測量人員就能在CAD中輕松地完成老舊建筑外立面繪制工作，無論是門窗還是空調外機和廣告牌，都能輕松繪制出來，大大降低內業的工作強度，且繪制的精度和細膩度也能很好地加以體現。結果如圖3所示。

CAD圖紙生成后，改造設計單位即可了解建筑外立面具體狀況，而利用測量人員提供的測繪圖紙也能預估出工程量，也可為后期工程預算提供資料。

圖3　臨街建筑立面圖

三、結束語

徠卡測量系統對于三維激光掃描儀新應用的探索一直在進行，可以預見的是，在不久將大量出現三維激光掃描儀的身影，在各行各業展現其無窮魅力。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)

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