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(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊 江蘇 常州 213022

伴隨著我國市場內(nèi)部建筑行業(yè)的發(fā)展，我國的城市化水平和現(xiàn)代化建設水平不斷得到提高，城市內(nèi)部的建筑工程項目整體規(guī)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(zhì)量和工作效率會直接影響工程項目的整體建設質(zhì)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(jiān)督管理，提高測繪工作的整體工作質(zhì)量和測繪精確度。在測繪工作的具體工作環(huán)節(jié)中，相關的測繪工作人員可以結(jié)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(shù)據(jù)的收集和處理工作，通過這種方式可以有效的彌補傳統(tǒng)人工測繪工作的缺陷，提高測繪工作數(shù)據(jù)獲取的精確度和分辨率，保障工程項目整體的建設質(zhì)量和安全性能。

1 三維激光掃描技術和建筑測繪概論

傳統(tǒng)的針對建筑物進行數(shù)據(jù)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(guī)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(shù)據(jù)和測量指標以及建筑物自身的結(jié)構(gòu)特征都無法實現(xiàn)精確詳細的表達，并且由于傳統(tǒng)測繪工藝自身的技術水平限制，在進行數(shù)據(jù)測量的過程中容易對建筑物產(chǎn)生損傷[2]。所以為了提高建筑測繪工作的工作質(zhì)量和整體的測繪技術水平，做到精確的建立三維數(shù)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(jié)合自身的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和特征，有選擇的引入高新科技設備，例如現(xiàn)階段被建筑測繪行業(yè)廣泛使用的三維激光掃描儀，從而實現(xiàn)自身行業(yè)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(fā)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(jīng)實現(xiàn)了廣泛的應用并為國內(nèi)測繪行業(yè)的發(fā)展起到了重要的積極作用。三維激光掃描技術與現(xiàn)代高精度傳感技術二者相結(jié)合，極大的增加了建筑測繪信息數(shù)據(jù)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(tǒng)人工測繪工程中存在的缺陷，有力的推動國內(nèi)測繪行業(yè)的良好發(fā)展，提高了建筑行業(yè)整體的工作質(zhì)量和安全可靠性，提高了工程項目規(guī)劃設計方案的科學性和規(guī)范性[3]。

2 三維激光掃描技術的技術原理和應用優(yōu)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(qū)域進行實景掃描獲取數(shù)據(jù)，并依據(jù)獲取的數(shù)據(jù)對實際場景進行數(shù)字化建模，一般情況下設備可以收集到的數(shù)據(jù)包括被檢測區(qū)域的環(huán)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(shù)據(jù)通過對顏色信息的收集，構(gòu)建出三維空間點云數(shù)據(jù)模型，可以針對被掃描的建筑物體的環(huán)境、建筑主體、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等部分區(qū)域進行實際的數(shù)據(jù)繪制和研究工作。

目前國內(nèi)的測繪行業(yè)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(shù)據(jù)信息包括距離、掃描、方位、角位移等信息。通過對這些數(shù)據(jù)的精確獲取可以有效的保證測繪工作的工作質(zhì)量。

（1）在遙感測繪工作環(huán)節(jié)，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(xiàn)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(diào)制工作，并依據(jù)實際的測量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，確定被測距離隨時間變化的具體形態(tài)信息。這類測量方式在一些對數(shù)據(jù)精密度要求較高的領域經(jīng)常應用，例如醫(yī)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(shù)據(jù)的幾何關系進行計算和分析實現(xiàn)對被測物體距離數(shù)據(jù)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(fā)射和接受形成時差獲得距離測量數(shù)據(jù)，并針對測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)測量工作以及對數(shù)據(jù)的分析和計算，角位移測量數(shù)據(jù)是三維激光掃描數(shù)據(jù)的關鍵測量要素。在實際的數(shù)據(jù)測量和分析工作環(huán)節(jié)，需要針對線性位移數(shù)據(jù)和角位移數(shù)據(jù)兩種不同的數(shù)據(jù)進行測量。針對直線位移數(shù)據(jù)的測量工作，通常會用到CDD設備、直角棱鏡、激光發(fā)生器等設備進行組合形成系統(tǒng)性的測量規(guī)劃，對被測物體的直線位移數(shù)據(jù)進行精準的測量和分析。而對于角位移數(shù)據(jù)的測量和分析工作，需要對被測物體的角位移幅度數(shù)值進行測量和分析，針對數(shù)據(jù)的分析和計算結(jié)果得到步距角等數(shù)據(jù)，從而獲取對角位移數(shù)據(jù)的實際數(shù)值。

（3）三維激光掃描技術從本質(zhì)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(shù)據(jù)，也是三維激光掃描的重要環(huán)節(jié)。通過設備向被測建筑物主體發(fā)射激光進行掃描，根據(jù)激光的發(fā)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(shù)據(jù)。在對被測建筑物主體進行掃描的時候，由掃描測量系統(tǒng)的內(nèi)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(shù)據(jù)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(huán)節(jié)，需要將獲取的掃描坐標系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(xiàn)支持坐標公共點的轉(zhuǎn)換工作。通過對坐標系和轉(zhuǎn)換應用系數(shù)的使用，可以精確的獲取被測物體的各種測繪數(shù)據(jù)[5]。

2.2 三維激光掃描技術的應用優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的測繪技術，三維激光掃描技術更具有現(xiàn)代化的發(fā)展意義，通過使用先進的三維激光掃描儀可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)精確度和分辨率都得到了極大的提升，對測量數(shù)據(jù)的矯正工作等環(huán)節(jié)，相較于傳統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的完整性和可參考性，有效避免了傳統(tǒng)建筑測繪技術受限于空間條件而無法保證數(shù)據(jù)全面性和完整性的缺陷。在進行相關的數(shù)據(jù)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(guī)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(shù)據(jù)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(zhì)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(fā)射信號進行檢查工作，確認激光的發(fā)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(huán)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(shù)據(jù)獲取速度和精確度，實現(xiàn)對被測物體和建筑物主體的高密度激光掃描和數(shù)據(jù)采集工作，提高測量數(shù)據(jù)的整體分辨率和精確度，減少測量過程中的數(shù)據(jù)遺漏的情況發(fā)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(zhì)量和工作效率。目前國內(nèi)建筑測繪工作主要分為前期準備階段、外部施工環(huán)境數(shù)據(jù)的采集階段以及針對采集數(shù)據(jù)的內(nèi)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(guī)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(jié)合施工現(xiàn)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(guī)劃、測繪工作路線、技術人員的配置和需要使用的各種專業(yè)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(xiàn)場數(shù)據(jù)進行數(shù)字化構(gòu)建的工作環(huán)節(jié)，相關的測繪工作人員應當確定測量現(xiàn)場的具體位置信息以及相關的數(shù)字化構(gòu)建工作的參數(shù)依據(jù)，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(yè)數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)

在實際的三維激光掃描技術的應用過程中，針對施工現(xiàn)場進行的數(shù)據(jù)采集工作質(zhì)量和數(shù)據(jù)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(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集的工作環(huán)節(jié)，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(shù)據(jù)拼接工作是整體測繪數(shù)據(jù)處理階段的關鍵環(huán)節(jié)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(qū)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(xù)的測繪點位設置工作提供參考依據(jù)。而三維激光掃描儀的掃描參數(shù)設置和測繪點云數(shù)據(jù)拼接的質(zhì)量有著密切的關聯(lián)，因為激光掃描的點位頻率參數(shù)具體設置將直接影響被測目標的識別距離和測繪點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息和測繪站點接收到的數(shù)據(jù)進行對比分析，所以在測繪站點的位置確定工作環(huán)節(jié)，需要全面的考慮現(xiàn)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(qū)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(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收集，避免數(shù)據(jù)獲取混亂的情況發(fā)生。

3.4 測繪工作的正式工作環(huán)節(jié)

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(qū)域進行掃描作業(yè)。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(shù)據(jù)測量的工作質(zhì)量，保證測量數(shù)據(jù)獲取的準確性，可以在鎖車的區(qū)域開啟外置全球定位系統(tǒng)，保證整體的坐標系統(tǒng)可以滿足激光掃描的需求。在激光掃描工作階段結(jié)束后，如果獲取的數(shù)據(jù)未能達到規(guī)劃要求，或者整體數(shù)據(jù)信息存在著明顯的缺陷和漏洞，可以針對部分有缺陷的區(qū)域重新進行激光掃描，保證數(shù)據(jù)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(qū)域周圍的建筑物或者其他因素對測量過程產(chǎn)生不利影響，進一步提高數(shù)據(jù)獲取的整體質(zhì)量。同時，在控制點位的附近范圍，可以設置十字靶心，保證數(shù)據(jù)測量結(jié)果整體的統(tǒng)一性和均勻性，避免出現(xiàn)被測區(qū)域掃描不全的情況發(fā)生。

4 結(jié)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(xiàn)對建筑物主體測繪工作的整體工作質(zhì)量的提升，通過對測繪圖點的定位工作，可以在短時間內(nèi)采集到大量的測繪圖點的建筑物參數(shù)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(shù)據(jù)的實際測量距離和角度數(shù)據(jù)進行實施的數(shù)據(jù)采集工作，同時保證數(shù)據(jù)獲取的精確度和分辨率，相較于傳統(tǒng)人工的建筑測繪工作，其測繪數(shù)據(jù)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(guī)劃人員和建設施工人員提供了更為精確的施工坐標系數(shù)，可以有效的優(yōu)化整體的測繪工作效果，為工程項目的整體建設質(zhì)量和安全性能奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎。