三維激光掃描在建筑中的應用

陳 竣

（武漢職業技術學院，湖北 武漢 430070）

隨著社會經濟體系的飛速發展，城市化進程的加快，人口數量激增，導致城市人口的密集度也越來越高，隨著人們對城市建筑的要求越來越高，城市的格局規劃和環境問題也在迅速的凸顯。而這些問題在隨著電子計算機械進入建筑行業之后被解決掉了大部分，其中三維激光掃描技術已經成為了整個建筑行業的核心技術，相較于傳統的測繪方法，三維激光掃描技術隨著其精度高、安全性好、測量快等特點迅速擠占了傳統的測繪市場，因此，將三維激光掃描技術應用在建筑領域工程中具有十分重要的現實意義。

1 三維激光掃描概述及技術原理

在測繪行業工作過的人們都知道傳統的測繪方式是一種單點精確測量方式，雖然這種測繪方法測量的精度高在缺點也在這里，精度高也就代表著測繪速度慢、消耗時間長、打點速度慢等缺點，因此這種測繪方式應用于簡易的建筑體測量是一種不錯的選擇，但面對如今越來越多的超高建筑體及非正常結構建筑體的測量就顯得有很多的不足，這種超高建筑體以及非正常結構建筑體所需要的點數據動輒就是數萬甚至數十萬的點數據，而且由于建筑的超高型建筑，很多的點位數據是很難進行精準測量的并且測量的危險性極高。

三維激光掃描技術是一種進入二十世紀之后才開始發展起來的新型測繪技術，這是測繪領域在GPS技術的應用，RTK測繪技術之后的再一次技術革新，他在傳統的單點測量方式基礎上進行了改革創新，一種多點式測量方式也就是三維激光掃描技術被成功研發，因為其測繪速度快、精度高、效率高等特點被快速應用在建筑行業并廣受歡迎。

其技術原理大致可分為3大類：1）脈沖式測距，脈沖式測距的技術原理是利用三維激光掃描儀發射出激光脈沖信號，再利用掃描儀中的棱角反射到被測物體的表面，再由掃描儀接收反射回來的信號，最后根據激光脈沖信號發射的時間和接收到激光脈沖信號的時間差來計算出三維激光掃描儀與被測物體表面的實際距離，這種測距技術所能應用的測距距離是最遠的；2）相位式測距，所謂相位式測距，是指在三維激光掃描儀發射激光脈沖的時候，對其激光脈沖幅度進行調制，然后計算出激光脈沖從發射到接收之間的相位差，結合激光的波長和相位差最終計算出激光從發射到接收的傳播時間，從而計算出掃描儀與被測物體表面的實際距離。這種測距技術應用的測距距離僅次于脈沖式測距；3）三角法測距，三角法測距是根據掃描儀的正長寬高等數據以三角形幾何數據理論測算出掃描儀與被測物體表面的實際距離，但這種測距方法的測距距離范圍比脈沖式測距以及相位式測距都要小很多，一般情況下，這種測距方法只會用于幾十米范圍內的測距，在此范圍內掃描出來的點位數據精度是最高的。

2 三維激光掃描技術在建筑測繪中的應用特點

三維掃描技術可以在不對實物的表面進行任何處理的情況下，直接從實物中快速的進行逆向三維數據的采集和模型重構，它能夠保障這種采集到的數據的可靠性和真實性。這種技術最大的特點是他可以深入到各種復雜的空間當中去進行掃描以及數據采集，由于其高精度、高效率的獨特優點，也被成為實景復制技術。

三維激光掃描技術的特點大致可分為幾點：1）高效性，與傳統的測繪技術相比，三維激光掃描儀可以在一秒內打出數百萬個數據采集點，快速的完成數據采集，從而在電腦內形成三維數據圖像，其測繪的效率要遠遠超出傳統的單點精確數據采集；2）高精度，傳統的測繪方式是通過對單點的數據進行整合然后繪制出測繪面，而三維激光掃描儀可以用數百萬個激光脈沖信號測量出測繪面的數百萬個測繪點，且能夠調節分辨率來達到對精度的需求，掃描出的數據可在計算機中建立出三維立體模型，其精度細節要比傳統的測繪方式要精確很多；3）高安全性，傳統的測繪技術在對超高型以及非正常結構的建筑進行測繪的時候，由于很多點位難以測量，導致測量的安全性大大降低，而三維激光掃描儀是通過非接觸的方式，通過自動化的操作系統，將參數設置好之后，掃描儀會自動的旋轉，采集數據并對數據進行整理傳輸到計算機中，大大提高了其測繪環境的安全性，而且由于三維激光掃描儀是一個自動化的機械軟件，因此其測繪流程與操作手法要比傳統的測繪方式簡要的多。

3 三維激光掃描技術在建筑施工中的應用

現階段的三維激光掃描技術在相關部門的有力推動下，其技術越來越成熟，在各個行業中的應用制度也越來越完善，采集到的數據建立的模型庫也越來越大，因此三維激光掃描技術被廣泛應用在各個領域，特別是建筑領域，三維激光掃描技術以及成為了核心技術之一。

3.1 三維數據逆向建模

三維激光掃描技術是保證建筑施工實際測量數據精準度的核心技術，施工人員可以采用這項技術對施工現場的各種數據進行測量采集，然后將這些數據進行整合，為之后的施工流程提供可靠的數據依據。三維激光技術應用最多的是在超高型建筑和非正常結構建筑中，利用三維激光掃描技術對整個工程的相關點位數據進行掃描，隨后在計算機內，根據掃描出的這些數據建立起三維數據模型。

比如我們在對一個非正常結構建筑做一個外部裝飾如鋪設玻璃幕墻或者給建筑加設一個懸空臺，但是施工人員在進行建設的時候，發現實際的數據其實跟設計圖上的理想數據是有一部分的偏差的，導致現有的材料構件無法按照原有的安裝方式進行安裝，這就需要施工人員利用三維激光掃描技術對整個平臺或建筑面進行掃描，然后結合建筑的三維數據模型進行重新設計，最終由施工人員根據新的設計圖完成建筑工程的安裝。

傳統的施工測繪技術單點采集較為精確，但多點數據采集特別是三維數據采集，其精確度較差，不僅延長的工期，還對建筑的工程質量和最終效果有著極大的影響。施工人員可以基于現有的三維激光掃描技術進行三維數據逆向建模工作，從而達到控制建筑工程成本、降低建筑施工風險、提高工作效率等目標，給后續的工程建設提供可靠的數據支持。

3.2 工程量及工程質量分析

對建筑工程的工程量和工程質量分析需要從施工過程和施工完成之后進行分別分析。

在施工過程中，施工人員可以利用三維激光掃描技術采集到的建筑主體的三維點云數據，然后件計算機中建立起相應的三維數據模型，然后將這個三維數據模型與施工的CAD模型和BIM模型進行三方對比，對于存在誤差的模型位置，需要利用現有的技術和施工工藝進行修正，從而提供一份高精度的工程建設方案，從而達到縮短工期、提高工作效率、減少經濟損耗等建設目標，確保工程的順利進行。

對于施工完成也就是即將竣工的建筑，就需要施工人員對建筑的表面積進行計算，特別是對于超高型以及非正常結構的建筑體，其面積就需要更精確的計算，這不僅關系到施工單位與建筑企業方的后期核算，也關系到能否從數據中建筑的安全性和使用合理性進行風險預估。傳統的測量方式由人工利用全站儀等精密測量儀器進行測量，但跟三維激光掃描技術相比傳統測量方式的危險性還是要大得多，并且采用傳統測量方式還具有測量出來的數據精確度差、耗時長、成本高等特點。

3.3 運維管理與變形監測

建筑工程驗收環節最重要的是運維管理與變形監測，建筑企業單位將大量的時間、金錢和資源投入到建筑工程當中，就是為了工程在后期的運營階段能夠達到預期中的營收額，所以建筑企業方可以依據三維激光掃描技術采集的數據制定出科學合理運維管理制度，從而簡化運維流程、降低運維成本、可及時對改、擴建計劃作出調整。

將三維掃描技術的技術優勢充分利用起來，可以給構建自動化、信息化、智能化以及一體化的智能運維管理平臺提供可靠的技術和數據支持，提高了對施工空間、機械設備、企業資產的綜合性管理的高效性。

變形監測工作在整個工程生命周期內占據重要地位，他不僅決定了工程質量，還直接影響著建筑結構安全問題。在對被測建筑進行全方位掃描數據采集之后，與建設施工中采集的各個數據進行對比，如出現誤差，就要制定出可靠性與可行性較強的變形改良方案，從而保證建筑工程質量。

4 三維激光技術在建筑重建中的應用

建筑是一部石頭史書，無論是古建筑還是近現代建筑，他都有一個時代的特征表現在建筑物上，這些建筑物記錄了一個時代的發展和興衰，無論是對于一個國家還是對于一個民族，都有著極其總要的幾年意義。隨著三維激光掃描技術出現，給破損或者遺失的建筑的修補或者重建帶來了可能性，但是由于技術限制，如今還有許多問題需要攻克。

5 結語

三維激光掃描技術在建筑中的應用最重要的是給建筑工程提供了精確而可靠的數據，而數據是保證建筑工程質量和效率的核心依據，因此三維激光掃描技術是建筑工程的核心技術之一，且由于其精度高、效率高、安全性高等特點，其應用前景極廣，相信通過對三維激光掃描技術的研究，能夠給建筑行業帶來勃勃生機。