三維激光掃描技術(shù)在建筑施工檢測中的應(yīng)用

摘要：在房屋建筑作業(yè)中，對(duì)建筑的過程檢測是確保工程質(zhì)量的重要手段。但目前傳統(tǒng)檢測手段存在工作方法復(fù)雜、工作量大、手段單一、效率低等缺點(diǎn)，針對(duì)這種問題，構(gòu)建基于三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑施工質(zhì)量檢測的方法。以容西片區(qū)G單元安置房及配套設(shè)施項(xiàng)目為研究對(duì)象，基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)施工的質(zhì)量的進(jìn)行檢測，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，基于三維激光掃描技術(shù)的檢測方法結(jié)果更加準(zhǔn)確直觀且效率高，可以在以后的建筑施工檢測中大力推廣。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；去噪；檢測；垂直度

0 引言

20世紀(jì)初，西方國家開始對(duì)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，這個(gè)過程中不斷完善三維激光掃描技術(shù)的理論和技術(shù)，儀器也不斷得到更新?lián)Q代[1-2]。我國的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用起步比較晚，近年來隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，該技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛[3]。

在傳統(tǒng)的建筑工程檢測中，為了保證作業(yè)的精度，需要采取很多傳統(tǒng)的設(shè)備如水準(zhǔn)儀、全站儀，對(duì)建筑過程進(jìn)行檢測，該方式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)數(shù)據(jù)的處理也因?yàn)槟Ｐ瓦x擇不同而產(chǎn)生很大誤差[4]。三維激光掃描技術(shù)設(shè)備不但小巧靈便，操作不受地形地貌限制以及時(shí)空限制，數(shù)據(jù)處理結(jié)果還具有精度高、直觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本文以河北省雄安新區(qū)容西片區(qū)G單元安置房及配套設(shè)施項(xiàng)目為研究對(duì)象，借助于三維激光掃描技術(shù)，對(duì)該工程的建筑施工進(jìn)行檢測，并將其與傳統(tǒng)檢測方法的檢測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過分析表明，三維激光掃描技術(shù)能高效精確的完成建筑施工檢測工作，并可以通過數(shù)據(jù)反饋為建筑施工提供參考，對(duì)提高建筑施工質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三維激光掃描的檢測技術(shù)概述

1.1 三維激光掃描技術(shù)發(fā)展歷程

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它通過非接觸式高速激光掃描測量，以陣列式點(diǎn)云的形式，獲取地形或復(fù)雜物體表面的三維空間數(shù)據(jù)，是又一次測量領(lǐng)域的革命[7-8]。三維激光掃描技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，隨著信息技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)90年代得到大范圍的推廣，是繼3s技術(shù)之后，測繪技術(shù)的又一大進(jìn)步。

1.2 三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)不需要接觸被測目標(biāo)，即可快速得到目標(biāo)的三維信息，解決了危險(xiǎn)目標(biāo)、不宜接觸目標(biāo)、易損壞目標(biāo)的測量。激光掃描的方式能夠快速獲取大面積的空間信息，從傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量的方式跨越到面測量，實(shí)現(xiàn)測量效率的質(zhì)的飛躍。

三維激光掃描技術(shù)在具體測量過程中，可根據(jù)實(shí)際需求，被測物體的精細(xì)程度設(shè)定一定的采樣間隔，從而得密度足夠高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅包含了三維位置信息，也包含了RGB信息，便于移植到其他系統(tǒng)處理和使用。三維激光掃描儀通過主動(dòng)發(fā)射激光束的方式來完成對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的測量，不需要外部光線，使得掃描能夠擺脫時(shí)間和空間的限制，真正實(shí)現(xiàn)了全天候測量。三維激光掃描工作如圖1所示。

2 工程概況

河北省雄安新區(qū)容西片區(qū)G單元安置房及配套設(shè)施項(xiàng)目，位于河北省容城縣，北至津保大街，西至慧谷路，南至云溪河，東至智源路。地上包含48棟住宅樓、6棟配建樓、2棟開閉站?？偨ㄖ娣e約45萬m2，其中地上建筑面積約29萬m2，地下建筑面積約16萬m2，本工程安置住房總戶數(shù)2649戶。住宅為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，配建及開閉站為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下車庫為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行檢測，通過對(duì)多樓層區(qū)域集中問題數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以及趨勢分析，可直觀統(tǒng)計(jì)工藝手法、施工質(zhì)量的集中爆發(fā)區(qū)域，基于大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析整棟樓，乃至整個(gè)分期建設(shè)樓棟的實(shí)測點(diǎn)位[5-6]。其可對(duì)待建樓層、項(xiàng)目的工藝手法改進(jìn)、質(zhì)量控制起到了良好的預(yù)警作用，有助于提升待建樓棟的整體質(zhì)量，同時(shí)對(duì)參建方評(píng)價(jià)起到了輔助決策的作用。結(jié)合完成面爆點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，有助于將過程實(shí)測中的多次整改減少為一次整改，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)收既交付，從而大幅降低整改成本。

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 三維激光掃描技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

3.1.1 現(xiàn)場勘察

先對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場的建筑進(jìn)行實(shí)地踏勘，然后根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。根據(jù)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用情況的分析可知，對(duì)容西片區(qū)G單元安置房房屋建筑現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是可行的。

3.1.2 測站設(shè)置

根據(jù)建筑物的實(shí)際情況，每個(gè)房建設(shè)置測站2個(gè)，每層共設(shè)計(jì)測站14個(gè)。為了避免大量數(shù)據(jù)的分析，本次研究以單層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。為了減少后期數(shù)據(jù)處理的工作量，對(duì)于測站的選擇應(yīng)該盡量合理，既不影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，又不會(huì)增加工作量，以減少因后期采集數(shù)據(jù)量過大而造成的數(shù)據(jù)處理誤差。鑒于建筑物的區(qū)域比較大，且單獨(dú)的建筑物是封閉的，三維激光掃描儀不能同過一個(gè)位置完成所有數(shù)據(jù)的采集，所以需要根據(jù)平面范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，設(shè)置不同的測站。

3.1.3 掃描儀架設(shè)

每個(gè)樓層樓面已經(jīng)經(jīng)過澆筑處理，整個(gè)地面平整度比較高，這對(duì)于三維激光掃描儀機(jī)器來說架設(shè)比較方便。三維激光掃描儀的架設(shè)，需要保證在測點(diǎn)掃描范圍之內(nèi)可以掃描到全部區(qū)域。

3.1.4 標(biāo)靶球設(shè)置

在對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，為了保證在不同站點(diǎn)采取到的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)快速拼接，不僅需要在測站對(duì)三維激光掃描儀進(jìn)行架設(shè)，同時(shí)需要在架設(shè)過程中進(jìn)行標(biāo)靶球的設(shè)置。借助于標(biāo)球靶的定位，可以讓采集的數(shù)據(jù)在處理過程中實(shí)現(xiàn)快速拼接，減少數(shù)據(jù)拼接所浪費(fèi)的時(shí)間，從而使拼接精確度大大提高，拼接效率大大提升。

本次測量選用標(biāo)球靶的數(shù)量為10個(gè)，每個(gè)測點(diǎn)中必須有不少于3個(gè)標(biāo)球靶和下一個(gè)測站相互重合。在第一個(gè)測站的測量任務(wù)完成后，需要將第一個(gè)測站與前一個(gè)測站的標(biāo)球靶位置進(jìn)行重新的定位，然后才能進(jìn)行下一步的測量任務(wù)。

為了保證數(shù)據(jù)采集的精度，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，應(yīng)該確保標(biāo)球靶不受到影響。在標(biāo)球靶布置上，要保證其具有一定的高度差。同時(shí)根據(jù)三維激光掃描儀參數(shù)的不同，保證標(biāo)球靶在可以掃描的精度范圍之內(nèi)。本次在建筑施工現(xiàn)場選擇1/4的分辨率。為了保證精度，按照標(biāo)球靶的大?。?45mm）計(jì)算，三維激光掃描儀和標(biāo)球靶之間的距離不能大于18m。

3.2 三維激光掃描技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)

通過現(xiàn)場測站掃描得到數(shù)據(jù)后，需要借助于相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)全部的數(shù)據(jù)采集工作完成，下一步就是開始數(shù)據(jù)的處理工作。在對(duì)每個(gè)測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，先將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)放入到軟件之中，利用標(biāo)球靶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。然后根據(jù)對(duì)標(biāo)球靶的命名，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)先后順序進(jìn)行拼接。

3.2.2 標(biāo)球靶次序識(shí)別

在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接處理時(shí)，需要先對(duì)測站進(jìn)行選擇，并根據(jù)測站的位置，對(duì)標(biāo)球靶的次序進(jìn)行識(shí)別。在識(shí)別完成后，對(duì)不同的標(biāo)球靶進(jìn)行編碼，以方便后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。根據(jù)上文可知，每個(gè)測站標(biāo)球靶的數(shù)量為3個(gè)。在完成識(shí)別工作之后，就可以進(jìn)行下一步的匹配工作。在完成每個(gè)標(biāo)球靶的匹配工作完成后，即可對(duì)每個(gè)測站進(jìn)行匹配。拼接后全局灰度點(diǎn)云如圖2所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)去噪

一般情況下匹配完成的數(shù)據(jù)會(huì)存在噪聲點(diǎn)，如因材料搬運(yùn)，施工人員的正常作業(yè)帶來的噪聲。為了保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，需要對(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。在軟件中，識(shí)別噪聲區(qū)后需對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除處理，完成去噪處理即可大大提高整體數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)垂直度的檢測分析

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前Ec72P1kbEwGTi/pYH1s008+5gAMlgByIhmrP8QIaPOw=，需要根據(jù)建筑物的典型特征對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。借助于Geomagic Control對(duì)采集后拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與對(duì)比模型進(jìn)行檢測比較，然后把拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及對(duì)比模型，通過Geomagic Control進(jìn)行處理分析。通過Geomagic Control軟件，來檢驗(yàn)在建筑現(xiàn)場采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確度是否滿足需要。誤差在可以允許的范圍之內(nèi)，才能對(duì)垂直度進(jìn)行對(duì)比分析。以拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以對(duì)比模型數(shù)據(jù)為驗(yàn)證對(duì)象。為了獲得的數(shù)據(jù)更加直觀易懂，利用點(diǎn)云骨架法法把點(diǎn)云數(shù)據(jù)和對(duì)比模型進(jìn)行分析處理。

點(diǎn)云骨架法的優(yōu)點(diǎn)，是可以對(duì)每個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，避免在垂直度計(jì)算工程中因?yàn)辄c(diǎn)云密度造成的誤差。同時(shí)該方法更加直觀，對(duì)于建筑物垂直度的檢測更加方便，對(duì)建筑物的變形觀測更加靈敏，可以作為建筑施工過程中垂直度的判斷和反饋依據(jù)。點(diǎn)云骨架法所需要處理的數(shù)據(jù)量不大，所以運(yùn)行速度快，本次采用采用SVD法進(jìn)行垂直度的檢測。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析的垂直度如圖3所示。

4 與傳統(tǒng)方法對(duì)比分析

在常規(guī)垂直度檢測中，一般采用全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。但是全站儀的數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)闇y量點(diǎn)選擇不同而造成數(shù)據(jù)變化較大。為分析全站儀測量與三維激光掃描儀測量的準(zhǔn)確度，對(duì)兩個(gè)方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。測量參數(shù)對(duì)比如表1所示。測量效率分析如表2所示。

通過表1分析可知，全站儀在不同的測點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)，因?yàn)闇y站的選擇造成的數(shù)據(jù)變化較大。而利用三維激光掃描進(jìn)行測量時(shí)，不同測點(diǎn)數(shù)據(jù)基本一致，由此保證了測量數(shù)據(jù)的精確性，避免了測點(diǎn)位置選擇不同造成的測量數(shù)據(jù)誤差。通過分析表2可知，選擇三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑檢測測，所需時(shí)間和勞動(dòng)力更少，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，且一次工作的檢測全面性更強(qiáng)。

5 結(jié)束語

通過在容西片區(qū)G單元安置房項(xiàng)目的應(yīng)用表明，相較于傳統(tǒng)方法，三維激光掃描的技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，人為因素造成誤差更低。利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑施工檢測準(zhǔn)確更高，效率更高。在后續(xù)的建筑施工中，可以選擇三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑施工檢測，這對(duì)于提升整體的施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，降低施工成本具有重要的意義。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于建筑施工檢測具有參考作用，可以在后續(xù)的類似項(xiàng)目建設(shè)中大力推廣。

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