三维激光扫描仪在奥运鸟巢中的应用

■史俊莉 ■河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000

三维激光扫描是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。是一种非接触主动测量的方式，能够快速获取物体表面采样点三维空间坐标，并能够构建三维立体模型。在建筑物测量领域，三维激光扫描测量技术的出现和发展，克服了传统建筑测量的局限性，并解决了特殊建筑物无法量测的难题。它具有快速、无接触、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点。通过高速激光扫描测量方法，以点云形式获取建筑物表面的阵列式几何图像数据，为建筑物的施工放样、变形监测提供技术支持，特别是高层建筑和大型建筑工程激光扫描技术是继GPS技术又一个高科技全新的技术手段。

1 三维激光扫描技术

1.1 三维激光扫描技术的概念

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是二十世纪九十年代开始出现的一种新技术，三维激光扫描技术它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，从而构建物体的三维立体模型，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。是一项由点测量过渡到面测量的技术革命。

三维激光扫描技术近年来由于它高效率，高精度，易操作等优点被广泛应用于各个领域，如文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域。

1.2 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪的构造主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也有集成CCD和控制系统以及校正系统，通过两个同步反射镜快速而有序的旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，测量激光脉冲从发出经被测物体表面再返回一起所经过的时间(或相位差)来计算距离，同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度，通过测量得到的水平角、垂直角、距离之计算基光点在被测物体上的三维坐标(x、y、z)，部分仪器具有内置的数码相机，可以直接获得目标物的影像，得到扫描点的颜色信息。反射强度、颜色信息可用于点云数据后续处理，提取实体边缘位置信息和真彩色纹理信息。三维激光扫描仪根据测距原理可分为脉冲式、相位式。

1.3 三维激光测距仪较其他测绘仪器的优点

(1)无接触式测量。三维激光扫描仪是一种无接触的测量方法，古文体，高层建筑、工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。

(2)高效率。在以往的测量中，用的最多的仪器要数全站仪和GPS，测出一个点的位置信息大约在2－5秒，三维激光测距仪在诞生最初可以达到每秒1000点的测量速度，采用360度全景扫描。脉冲式扫描仪最大速度可达到每秒50000点，相位事可达到每秒120万个点，这种密集式高效率测点位的方式是以往任何仪器都无法达到的。

(3)高精度。用三维激光扫描仪进行定位，精度可达到毫米级精度，这对服务于精密工程精度也是足够的。如莱卡的Scanstation2三维激光扫描仪，测量精度为单点4mm，模型1mm，测距范围在300m，采样率为50000点/s。

(4)三维立体实景模型。三维激光扫描仪在根据角度和距离求出被测物体的三维坐标后，又利用内置的数码相机获得目标物的影像和颜色信息，通过坐标和影像信息可在后期构建被测物体的三维立体实景模型，传统的测量概念里，所测的数据最终输出的都是二维结果，例如CAD图，在逐步数字化的今天，三维取代二维已经是一种趋势，三维激光扫描仪是在此种趋势中诞生出来的新技术。

2 三维扫描仪在鸟巢的应用

2.1 工程背景

2005年10月28日，“鸟巢”开始吊装第一根钢柱，对于大型钢结构及装备的生产和安装，怎样使钢结构组件准确的进行吊装定位焊接是个难题，对于鸟巢的钢结构更是如此，它的钢结构组件状如树枝，每个组件的焊口少则五六个，多则十几个甚至几十个，而且每个组件的重量轻则数吨，重则几十吨甚至上百吨。如果按常规方法，应在台架上按设计要求的姿态焊接组装，再吊起组件与空中钢结构体焊接成型。这就存在一个问题，即已经吊装焊接成型的钢结构体会受光照、气温、风向、重力及自身内应力等因素影响，使预留的空间位置产生变化，且预留空间都分布在几十米的高空，待观测点截面又很小，用常规方法观测难以满足施工的要求，如果利用三维激光扫描仪这个问题就迎刃而解了，三维激光扫描仪可以在设计前期完成现场基础数据的搜集;在大部件加工完成后，进行尺寸的扫描检查;部件在运往安装现场前，可通过相关应用软件进行部件间的虚拟装配，实现虚拟检查，并可以直接放入安装场景扫描模型中实现虚拟现场安装。

2.2 利用三维激光扫描仪安装钢结构

扫描之前首先布设高精度的控制点，三维激光扫描仪架在测站点上进行360°×270°视场内进行密集式扫描。

(1)外业扫描。利用莱卡Scanstation2三维激光扫描仪进行扫描鸟巢，得到鸟巢表面的云数据，遇到结构复杂或有遮挡时，应该加密扫描或多站扫描。三维激光扫描仪对鸟巢的扫描影像如下图1所示。

图1

(2)数据处理:①地物提取。在最初获得的数据中包含地形数据、建筑数据以及其他地物数据。这时就需要将目标建筑物的数据从众多数据中提取出来，为后面的数据处理提供依据;②去噪滤波。三维激光扫描仪和目标建筑物之间可能存在着行人、树木、车辆等，通过扫描后会形成乱点获空洞等噪声，去噪滤波就是除去测量噪声。

(3)建立三维模型。利用三角网模型获NURBS曲面建模方法进行建模，由于采集的点位虽然密集，但任然是离散型的点位，需建立模型，对数据进行拟合，使离散的点拟合成为连续的曲线，从而建立三维立体模型。

3 小结

三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成计算机可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便。在城市及建筑测量领域，三维激光扫描仪不但可以完成建筑结构的测绘，得到三维建筑模型，并可以实现建筑施工质量监测。通过三维激光扫描仪对建筑扫描形成的点云可以帮助我们完成立面图绘制(平、立、剖)、三维模型构件、基本尺寸量算等结果。并可以在新建建筑验收时，对建筑物扫描得到精确详实的三维模型，从而通过计算或比对完成施工质量检测，让传统的特征点质量检测转变为整体检测。