三维激光扫描仪在建筑领域的应用

1、三维激光扫描仪在建筑领域的应用描述：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 概述了美国天宝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；天宝激光扫描仪；武汉海德斯路总代理;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、

2、面以及三维模型等各种信息。以其独有的优点，该技术在工业制造、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

3、射棱镜引导至物体表面点，信号经物体表面反射后由接收器接收，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X6-反射角麼.与计翼公式平旋转角度a，由此便可计算出目标点三维坐标值（X，丫，Z）吲。（图 01）= S-COSpCOSa Yp =COSB' SlNa .ZP = S - COSp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，代表的品牌分 别为美国FARC品牌和瑞士瑞格品牌。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

4、描仪优点是扫描距离远，可以达 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。目前最新三维激光扫描仪技术是相位脉冲式，简称“Lightning三维扫描技术”代表的品牌为美国Trimble。而相位脉冲式三维激光扫描仪优点是全速扫描并在整 个测程上保持精度，扫描速度快可达 100百/秒，扫描距离远可达340米。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。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 采集、数据加工、点

5、云应用四个阶段川。02），我们可以将其概括为刖期准备、数据也.三雏倉兄扫描仪作业汛程芟03蔡姑彩色点云04,正梅範序憔前期准备阶段。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、

6、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、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

7、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。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：第一种方式是利用处理后的点云生成正射影像（图 04），

8、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

9、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。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。武汉海德 斯路通过对三维激光点云进行抽稀、 除噪，导入GEOMAJC 1MAGEWAREOLUWORKS 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（

10、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。武汉海德斯 路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，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）。09,三坦It規琪麹sit4.5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

11、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i基于三维点云数据，可以快速、准确构建二维平面图与 三维实体模型。同其他手段集成，Trimble 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。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，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