三维激光扫描仪在建筑领域的应用

《三维激光扫描仪在建筑领域的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三维激光扫描仪在建筑领域的应用（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、三维激光扫描仪在建筑领域的应用摘要：三维激光扫描仪作为一种新的空间数据获取手段，可高速、高精度获取物体表面点的 三维坐标值和纹理信息。本文论述三维激光扫描仪工作原理、工作流程，并概述了三维激光 扫描技术在建筑领域的应用。关键词：三维激光扫描技术；建筑；应用1引言三维激光扫描技术是诞生于生于上世纪九十年代的一项高新技术，经历几十年的发展， 该技术日趋成熟。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，利用激光测距原理，以每秒数 万乃至百万次的测量速度，快速获取物体表面点的三维坐标值、反射率和纹理等信息，并通 过计算机加工处理，可以快速构建被测物体的点、线、面以及三维模型等各种信息1。以其 独有的优点，该

2、技术在工业制造、工厂改造、规划、建筑、文物古迹保护、军事等领域得到 了大量的尝试与应用。就建筑领域而言，无论是文物古迹维护，还是当代建筑改造，都需要 反映建筑现状的图纸等测绘信息，而对于重点文物古迹的测绘，往往需要采用非接触测量方 式。三维激光扫描技术无疑为获取建筑较完整的信息提供了完美的技术支持与保障。2 三维激光扫描原理与特点目前，三维激光扫描仪的种类繁多，但其构成大致相似。三维激光扫描仪主要由激光测 距仪和旋转反射棱镜组成，主流的扫描仪还具备高清数码拍照设备（CCD）。激光扫描仪的工 作原理是由激光发射器主动发出一个激光脉冲信号，再由均匀旋转的反射棱镜引导至物体表 面点，信号经物体表面反

3、射后由接收器接收，计算测点与扫描仪的距离，同时角度编码器同 步记录旋转反射棱镜纵向测量角度B和扫描仪水平旋转角度a，由此便可计算出目标点三维 坐标值（ X， Y， Z） 2。（图 01）按照激光类型不同，可将三维激光扫描仪分为相位式和脉冲式3，两者各有优缺点。相 位式三维激光扫描仪的优点是扫描速度快、精度高、点密度大、可以近距离扫描，而缺点是 扫描距离相对较近，通常是几十米至几百米。而脉冲式三维激光扫描仪优点是扫描距离远， 以达到数公里，其缺点是近距离扫描效果差，扫描速度较慢。按照扫描的距离长远，又可划 分为短距、中距和长距离扫描仪。若按照扫描仪搭载的平台不同，可划分为手持、车载、机 载扫描。

4、不同类型的扫描仪对应着不同的应用领域，只有根据需求选择合适的扫描仪，才能 真正发挥扫描仪的功能。3三维激光扫描仪作业流程从三维激光扫描仪作业流程来看（图 02），我们可以将其概括为前期准备、数据采集、数据加工、点云应用四个阶段4。a反射角威与计戶磬式iXp = S COSfi CCSrx Fp = S COSf SINaZPSCOS0主要方向包括5 -三这建砒“、H .】：K.|三建齐印*事宿就占三匚宀耳丟上鱼三云A舞J片交期定帀坍守马iO2.=i澈比打荷悦作业就理图前期准备阶段。该阶段所做的主要工作是根据现场踏勘情况制定详细的作业方案，包括 设站数量和设站位置、参考标靶的摆放等工作，尽量做到

5、保障测量精度的前提下，减少设站 数，节约扫描时间，提高作业效率。数据采集阶段。该阶段就是按照既定的作业方案完成数据采集，在采集过程中如果发现 不合理的地方，要及时增加或减少扫描测站，并做好相关的记录，保障后期数据处理顺利进 行。数据处理阶段。数据处理是整个流程中较耗时的，这与采集的点云数据量大小和计算机 性能有关。一般，数据处理包括点云拼接、点云过滤、去除噪声、数据精简、点云上色等步 骤，只有经过以上处理才能得到完整的、高质量的、可用的点云数据。点云应用。点云是包含了物体三维坐标值、色彩信息的数据，可以根据需要对点云作进 一步的加工处理，其主要应用方向有原始资料存档、三维建模、制作常规二维图、

6、场景虚拟 等。4三维激光扫描仪在建筑领域的应用4.1原始资料存档对建筑物进行测量，获取其空间三维数据、颜色信息、纹理等方面的数据，并建立档案， 是保护建筑最基本的方法，这为以后建筑物改造或复原提供了依据，对古建筑和文物而言， 这尤为重要（图03）。就测量手段而言，传统方式采用直尺、量角器、锤球等工具现场直接 量取各种构件的尺寸和记录相应的文字信息，到室内再绘制出各种图件。这种方式虽然简单 灵活，但是作业效率低，对于建筑物整体尺寸的控制却不尽人意；而且古建筑中，往往包含 雕刻、文字、绘画等，传统的方式根本满足不了完整记录建筑信息的要求。与此同时，近景 摄影测量虽然能较好的记录建筑表面的信息，但是

7、外业测量比较耗时，测量精度也较差。同 以上两种方式相比，三维激光扫描技术无论在数据采集效率还是获取建筑信息完整度、测量 精度等方面，都具有无与伦比的优势，该技术为建筑快速数字化建档提供了强有力的支持5。4.2 建筑制图基于三维激光扫描点云绘制常规的平、立、剖面二维CAD图，目前比较流行的方式有两 种67：第一种方式是利用处理后的点云生成正射影像（图 04），根据影像绘制平面图；这 种方式有点类似摄像测量，但是由于影像没有透视畸变，因而在精度上要优于摄影测量。第 二种方式是将拼合处理后的点云切成薄片，将点云薄片导入CAD等软件中,根据点云绘制（图 05）。采用这种方式需要注意控制点云片的密度，理

8、论上密度越大，精度越高，但是数据量 的增大也对计算机的性能提出了更高的要求。因而，这需要我们在不断实践中寻找到两者间 的平衡。这两种方式比较而言，第一种方法的优势是生成正射影像后，图像纹理清晰，绘制 更加简单，但是在生成的过程中会有部分精度的损失，耗时比较长，比较适合于壁画、彩绘 等精细线划图的绘制，第二种方法的优势则简单快捷，没有精度损失，但同时也因其不够细 腻，对壁画、彩绘等的绘制不尽如人意，适合建筑的平、立、剖面等结构性的线划图的绘制， 且整体尺寸精度控制较好。4.3构建数字实体模型构建数字三维模型能直观的展现建筑风貌，可用作效果展示，虚拟漫游等。另外，随着 工程信息化的不断发展和建筑信

9、息模型（BIM）技术的推广，利用BIM模型实施工程建设阶 段的管理需要结合高效的测量手段来检测施工质量8。三维激光技术能够有效的链接模型和 工程现场，高效、完整的记录工程现场的复制情况。通过对三维激光点云进行抽稀、除噪， 导入 GEOMAGIC、 IMAGEWARE、 POLUWORKS 等专业软件中，可直接对点云进行拟合建模，形成 高精度，多种分辨率的三维模型（图06、07、08、09），并可转换为BIM模，进而与设计模 型进行精度对比。4.4 建筑变形分析对于建筑变形监测，传统方式都是在建筑的特征部位埋设变形监测点，在变形影响范围 外埋设基准点，定期观察监测标志相对于基准点的变形量。这种基

10、于点的监测方式可靠程度 很大程度上取决于特征点选择的合理性。而且基于点的监测方式并不能最大程度反映建筑的 最大变形，对于大型钢结构建筑更是如此。基于三维激光扫描仪的监测方式能够对建筑物进 行全方位的测量9，通过两次扫描数据对比分析，进而可知建筑整体变形情况（图10）。10.表面变殆分析4.5 智慧城市在智慧城市的建设中，城市数字化与信息化是智慧城市重要的组成部分。城市数字化信 息的获取包括人工测量、航空影像、卫星影像、激光扫描等。三维激光扫描已经成为获取空 间信息的主要技术手段，其特点是获取速度快、高精度、高密度、实时性强、自动化程度高； 基于三维点云数据，可以快速、准确构建二维平面图与三维实

11、体模型。同其他手段集成，三 维激光扫描技术的应用也扩展到城市环境监测、地表资源获取、城市建设规划，实现了对城 市信息化高度把控。4.6建筑设计与3D打印3D 打印是目前比较热门的一项高新技术，它是一种以数学模型文件为基础，以可粘合 物体为原料，采用逐层打印的方式来构造物体10。 3D 打印技术实现了设计蓝图到实体模型 的转换，更加直观的展示设计效果。在旧房改造中，可利用三维激光扫描仪扫描构建建筑模 型，再根据模型作规划设计，结合3D打印技术制作出修改后的建筑模型，既可以做效果展 示，又能发现设计中的不足。三维激光扫描技术和3D打印技术是目前的前沿技术，在实际 应用中还存在不足，但可以预见的是，

12、这两项技术的发展必定会相互促进，而建筑设计也会 由虚拟的三维模型过度到实体模型的设计方式。5 总结与展望三维激光扫描仪突破传统单点测量的方式，采用非接触测量方式，高效快速记录建筑物 的外观、结构、色彩、纹理等信息，对测量的对象进行实景复制。该技术不仅能减少外业工 作量，而且利用测量点云还能快速制作CAD建筑图纸、构建三维模型，进而加工成BIM模型。 随着三维激光扫描技术的发展以及制造成本降低，后处理软件不断完善，三维激光扫描技术 在建筑领域将得到更加广泛的应用。参考文献1 杨帆，董景利，薛伟。三维激光扫描技术及其相关软件在建模方面的应用J。地矿测绘， 2012, 28(3): 21-23。2

13、张宏伟，赖百炼.三维激光扫描技术特点及其应用前景A.第四届“测绘科学前沿技术论 坛”论文精选C.2O12年。3 马立广。地面三维激光扫描仪的分类与应用 J .地理空间信息， 2005， (6)。4 张启福，孙现申。三维激光扫描仪测量方法与前景展望J.北京测绘;2011年01期。5 白成军.三维激光扫描在古建筑测绘中的应用D.天津：天津大学建筑学院，2007。6 丁宁，王倩，陈明九。基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望J。山东建筑大 学学报， 2010(3).7 王书良，杨新林三维激光扫描仪点云数据在AutoCAD中的处理J山西建筑，2008。8 李亚东，王天华现场扫描结合BIM技术在工程实施中的应用J.施工技术，2012。9 唐琨，魏成，夏真基于三维激光扫描的建筑物变形监测方法研究J.测绘地理信息， 2013。10 洪晓龙，万晓桐浅谈3D打印技术J;传播与版权;2013年02期。