技術助力建筑改造 提升人居環境品質

文｜本刊編輯部

寶慶路3號是一幢有著80年歷史的老洋房，它位于上海黃金地段中的黃金位置——淮海中路與寶慶路交叉口，被稱為“上海第一私人花園”，市值1.8億元人民幣。2012年,由某設計單位承擔該建筑物的改造項目，亟需詳實的現場測繪成果，傳統測繪方式難以解決風格獨特、形式多樣的建筑物數據采集。

宏觀寶慶路3號內部，寬闊的草坪、蔥郁的樹木、褪色的門窗和扶手，縱然久經風雨，坐觀歷史，它依舊彰顯宏偉的氣勢。因此，如何全面、準確地獲取建筑物的空間信息、結構信息成為測繪專業的一個難點。傳統的測繪方式，往往以點為單位進行數據采集和存儲，偌大的庭院，每一個不可放過的細節都讓傳統測繪方式難以開展工作。

3D激光掃描技術是目前可以采取的最有效途徑，具有高分辨率、高精度以及色彩還原等特色。3D掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形、結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。3D掃描技術能實現非接觸測量，且具有速度快、精度高的優點，而且其測量結果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術應用日益普及的今天很受歡迎。

3D激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是上世紀九十年代中期開始出現的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術新突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的3D坐標數據，可以快速、大量的采集空間點位信息，為快速建立物體的3D影像模型提供了一種全新的技術手段。由于其具有快速性、不接觸性、穿透性、實時、動態、主動性、高密度、高精度、數字化、自動化等特性，其應用推廣很有可能會像GPS一樣引起測量技術的又一次革命。

重建模型 高度還原

作為新的高科技產品，3D激光掃描儀已經成功的在文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業、變形監測、工廠、大型結構、管道設計、飛機船舶制造、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建、事故現場取證、醫療研究等領域里應用。3D激光掃描儀的掃描結果直接顯示為點云，利用3D激光掃描技術獲取的空間點云數據，可快速建立結構復雜、不規則場景的3D可視化模型，高效地對真實世界進行3D建模和虛擬重現。既省時又省力，這種能力是現行的3D建模軟件所不可比擬的。

但在該項目中，受限于測量的通視性，現場樹木的遮擋增加了作業的周期和難度，尤其是房屋頂部的數據存在缺失，給數據后期應用帶來額外的處理工序。

設計單位聯合掃描實施方工程師現場實地勘察，制定細化作業方案。選擇FARO Focus3D系列三維激光掃描儀開展現場數據采集工作，使用后處理軟件FARO Scene進行點云全局配準、濾波降噪等預處理，獲得與現場空間信息相符的高質量點云。

在相關軟件中，對點云進行逆向建模，快速重建掃描對象的現狀三維模型，后期建模中有部分房屋頂部數據是靠掃描到的部分數據進行合理的推測得出模型。

該項目中三維激光掃描技術主要包括三部分的應用內容：三維激光掃描、建立模型和數據分析。三維激光掃描部分。工作人員根據經驗在現場放置固定標靶以及臨時標靶，用于數據拼接；使用三維激光掃描儀在每一個站點進行360度全方位數據采集，并在每次掃描完成后，用外置相機360度拍攝以獲得現場色彩信息 （單站色彩像素超過1億）。然后將掃描數據導入電腦，并用專門的軟件將數據在電腦中以點云的形式顯示出來。針對彩色點云數據，還原現場，且可以進行網絡發布及實時測量功能，及時發現數據可能存在問題，保證數據完整性。

建立模型部分。掃描目標的表面往往存在一些噪聲點，這些冗余數據或噪聲數據是無效的，同時增加了計算機內存，降低了數據處理效率。需要對點云數據進行濾波，剔除冗余數據，消除噪聲點，提取目標表面的點云數據。通過掃描設備后處理軟件，對點云進行降噪處理。掃描系統所獲得的原始測量數據是多個不同坐標系下構筑物的分塊點云集合，需要對多個測站的數據進行數據配準。利用掃描作業中多塊點云中公共的標靶點，通過設備后處理軟件進行配準計算，以得到整體空間數據信息。在Revit軟件中，對構筑物進行逆向建模，即將離散的點云擬合成最貼近實際的實體模型。

數據分析及應用。Revit軟件的點云工具可直接將激光掃描數據連接至BIM流程，從而加速改造和翻新項目流程。通過在Revit軟件環境中直接對點云進行可視化，用戶可以更加輕松、更加自信、更加精確地創建竣工模型。

數據更直觀 改造更便捷

將建立好的既有建筑信息模型在Revit軟件中進行綜合分析，可以實時對確定的現場位置進行測量以及周邊結構信息查詢，較傳統二維圖紙、傳統測量數據更加直觀和便捷。此外，還可為深化設計提供精確數據，與現狀完全相同的三維模型為改造工程的深化設計提供了極大的便利。工作人員直接在辦公室的電腦上打開三維模型就可以將預計施工現場盡收眼底，在整體規劃布局，細部調整方面都更顯游刃有余。

3D激光掃描技術通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的3D坐標數據，可以快速、大量的采集空間點位信息，為快速建立物體的3D影像模型提供了一種全新的技術手段。由于它采用的是不用接觸目標物而進行測量的方式，掃描時目標物的表面也不需進行任何處理，直接獲取目標物表面點的3D數據，獲得的數據也是高分辨率的數據，使得測量工作更容易進行，避免了測量人員直接接觸一些復雜危險的目標物，能確保測量工作的安全性。

3D激光掃描可以快速的獲取高精度，高分辨率的海量點位數據，可以高效率的獲取目標物表面點的3D坐標，從而達到高分辨率的目的。通過直接獲取數字信號采集數據，具有全數字特征，方便進行后期處理和輸出，以掃描所得的點云數據為基礎，利用建模專業軟件實現掃描目標的3D重建，從而幫助精確呈現現場真實信息。

本項目掃描天數為2.5天，掃描總面積達4578平方米，共設72站，掃描精度1毫米，后期數據處理周期25天，并提交了彩色點云數據庫，BIM三維現狀模型，彩色點云視頻，在線測量共享數據庫。

針對這座古建筑，傳統方式下的測繪方法需要大約1個月才能完成，而三維激光掃描技術的引進，不僅解決了測繪難點，更使得測量工作時間大大縮短，只需3天便完成所有測量工作，大大提升效率。

使用三維激光掃描技術對建筑物是非接觸式測量，一方面對建筑物沒有任何損壞；另一方面測量工作人員的安全也得到了極大的保障。

此次項目的模型成果直接與Revit軟件對接，依BIM技術應用的思路進行數據處理和分析，較好地解決了改造工程的設計深化過程可能遇到的問題，三維激光掃描技術在BIM技術全過程應用中的指導意義非常明顯。