三維激光掃描技術在建筑物中的應用

朱世成

摘 ? ?要：隨著城市的快速發(fā)展，許多超高層建筑，地標性建筑崛地而起。而這些建筑特點多傾向于超高層及異形。傳統(tǒng)的測量方式面對這些建筑有精度低，效率低，難度大的缺點。而三維激光掃描技術可以彌補這些缺陷，相對于傳統(tǒng)測量有較大的優(yōu)勢。本文主要講述了三維激光掃描原理、特點、操作過程和最后的應用效果，對實際工程有較好的參考價值。

關鍵詞：三維激光掃描;建筑;原理;過程;應用效果

1 ?三維激光掃描的原理

三維激光掃秒技術原理有脈沖式測距、相位式測距、激光三角法測距。其中脈沖式測距原理是利用三維激光掃描儀發(fā)射出激光信號，然后掃描儀中的棱鏡反射至目標物表面，掃描儀接收反射回來的信號，最后通過發(fā)射激光信號至接收激光信號的時間來測量待測物至掃描儀發(fā)射中心的距離[1]。相位式測距原理是：對掃描儀激光脈沖的行進幅度進行調(diào)制，同時測量激光脈沖從發(fā)射到接收的相位差值，再根據(jù)激光的相位差和激光波長計算激光的傳播時間，最后計算目標物至掃描儀激光發(fā)射中心的距離，相位式測距的有效測量距離介于脈沖式和三角法之間。激光三角法測距原理：根據(jù)三角形的幾何關系從而計算出被掃描物體至掃描儀激光發(fā)射中心的距離，它的測距范圍最小，一般只有幾十米掃描精度最高，在醫(yī)學領域和精密測量方面得到了廣泛的應用，如醫(yī)學整形、矯正手術、工業(yè)設計、人體測量以及在線加工等。

2 ?三維激光掃描的特點

三維激光掃描的有高效性、高精度、高安全性、自動化操作等特點[2]。其中高效性體現(xiàn)在三維激光掃描儀可以每秒打出數(shù)百萬個點，快速形成空間信息圖像，相對于傳統(tǒng)人工測量方式大大節(jié)省工時。高精度體現(xiàn)在以往人工測量往往是以點帶面的形式展現(xiàn)，而三位激光掃描儀內(nèi)裝有精密的傳感器，可以調(diào)節(jié)分辨率達到工程對精度的需求，并能夠空間成像，形成空間點的坐標，對目標體形成更加細膩的展現(xiàn)。高安全性體現(xiàn)于非接觸式測量，以往人工測量需要拿工具比如卷尺、靠尺等去需要測量的地方進行測量，由于惡劣的環(huán)境限制加大了測量的危險性，而三維激光掃描測量則可在相對安全的環(huán)境下進行測量。自動化操作體現(xiàn)在，三維激光掃描儀設置好參數(shù)后，儀器則可以自動旋轉，進行數(shù)據(jù)收集。而傳統(tǒng)測量如全站儀測量則需要全程人工參與，相比與傳統(tǒng)掃描方式，三維激光掃描更加容易操作，更具有適用性。

3 ?三維激光掃描的過程及效果

三維激光掃描的過程包括外業(yè)數(shù)據(jù)收集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，其中外業(yè)數(shù)據(jù)的誤差主要來源于測距過大產(chǎn)生的誤差，測角誤差，及目標物外表面粗糙的誤差。三維激光掃描儀打到目標物上的點在近距離是個極小的點，激光反射回來的路徑的直線路徑，是直線距離，而隨三維激光掃描儀與被測物體的距離增大，三維激光掃描儀打出去的點是一個光斑，而在光斑內(nèi)的任意第一個反射回的點都是儀器與目標物體的距離，并不是直線路經(jīng)進而產(chǎn)生誤差。測角誤差主要來源于在測量時，棱鏡高速旋轉產(chǎn)生微小的振動，鏡面平整度誤差以及掃描電機不均

勻轉動的控制誤差[3]等。目標物表面誤差主要來源于在一般情況下，掃描儀只會接收到從單一待測物反射回來的信號，但是如果激光脈沖信號剛好發(fā)射到兩個或兩個以上物體的交界處時就會從物體A和物體B同時反射回波信號到掃描儀的接收器，這兩個回波信號會發(fā)生干擾，會使信號產(chǎn)生一個時間延遲，導致測距誤差，被稱為多路徑誤差。那么針對于這些誤差來源，外業(yè)數(shù)據(jù)收集時，三維激光掃描儀應該架設在被測目標物無遮擋干擾的位置，并且在超高層建筑物中，應盡量架設在離超高層較近且高度在超高層高度一半左右的位置，因為俯角過大或仰角過大都會造成點云數(shù)據(jù)過少的情況，從而影響其精度。如果受環(huán)境限制，不能找到這樣理想的架設位，則應適當調(diào)整分辨率，保證有足夠的點云數(shù)量。在測量異形建筑物時，儀器架設位置和操作方式也應滿足上述條件。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，主要包括點云預處理，點云除噪處理，Bim模型處理，最后Bim模型與點云數(shù)據(jù)在Geomagic軟件中擬合進行偏差分析。點云預處理，主要是利用三維激光掃描儀自帶軟件，將點云格式生成我們3D軟件可以處理的格式，然后將點云模型輸入Geomagic軟件中進行除噪，除噪時，我們先用軟件除噪，軟件除噪只能去除一些非常離散的點，之后我們還要進行人工除噪，比如建筑物上有一些干擾物，如吊籃和吊繩等。人工除噪應勁量刪到只剩我們需要的目標物為止，這樣進行后期擬合時可以大大減少噪點的干擾。Bim模型的處理，Bim模型首先我們應當保證其準確性。然后應將Bim模型先導入3D Max軟件中生成stl格式后才能導入Geomagic軟件中。在此要特別說明在超層建筑中，無論點云數(shù)據(jù)還是Bim數(shù)據(jù)都要進行分面分段處理，這樣會大大減小數(shù)據(jù)的內(nèi)存，如果超高層建筑不經(jīng)分面分段的處理，會導致數(shù)據(jù)過大，在進行數(shù)據(jù)處理的時候會造成操作的卡頓。分面分段后進行Bim模型數(shù)據(jù)與點云數(shù)據(jù)的擬合與對比，在擬合后我們便可以根據(jù)色譜觀察，比如紅色我們設定為超出規(guī)范允許偏差。那么圖像上出現(xiàn)紅色的部分與區(qū)域便是我們應該進行注意的地方，我們要在紅色區(qū)域標點進行偏差標注，其標注上會顯示x，y，z值，分表代表在三個方向的偏差值。我們應當進行具體分析，如果偏差值過大則說明存在噪點的影響，軟件將噪點也計算在內(nèi)所致，因為是人工除噪，這種情況不可避免。我們可以找該點附近的點進行標注。盡量在紅色區(qū)域進行多點標注，這樣能更好的分析出偏差趨勢。

4 ?總結與展望

三維激光掃描儀作為測繪界的新星，受到了廣泛的關注，應用領域也日益增加，在變形監(jiān)測領域也有很多探索和嘗試，但是其監(jiān)測方法和工程應用還沒有形成體系。本文主要在三維激光掃描技術的原理，特點，操作過程及效果進行講述，對工程有著一定的參考價值。但三維激光掃描技術還有一些方面需要改進與完善，比如精度方面，精度已經(jīng)達到甚至超過全站儀的精度，但應有一個精度檢驗的體系進行驗證。還有點云處理方面，點云的數(shù)量過大，噪點過多，人工處理不可能刪除干凈，而多余噪點會對分析產(chǎn)生很大的干擾，在除噪方面還有待完善。隨著技術的發(fā)展和儀器的更新，三維激光掃描儀在變形監(jiān)測領域將會得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應用[D].中南大學，2010.

[2] 趙煦.基于地面激光掃描點云數(shù)據(jù)的三維重建方法研究[D].武漢：武漢大學，2010.

[3] 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005（2）：32～34.