3D扫描技术在房屋检测工作中的应用探讨

■ 王 磊 Wang Lei

1 概述

近年来，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描设备也逐渐商业化。3D扫描仪可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据，从而可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。目前，3D扫描仪已经成为当前研究的热点之一，在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用[1]，但在房屋检测工作中的实用性研究还比较少。3D扫描仪能否在房屋检测工作中有效应用，首先应解决3D扫描仪测量的精确度问题。为此，有必要对3D扫描仪测量结果的不确定度展开研究，以期为实际工作提供技术依据。

2 影响测量结果不确定度的因素及不确定度量值

测量不确定度是指测量结果变化的不肯定，是表征被测量数据的真值在某个量值范围的一个估计，是测量结果含有的一个参数，用以表示被测量值的分散性[2]。不确定度是评定测量结果质量高低的一个重要指标。不确定度愈小，测量结果的质量愈高，使用价值愈大，其测量水平也愈高；不确定度愈大，测量结果的质量愈低，使用价值愈小，其测量水平也愈低[3]。

在房屋检测工作中，影响3D扫描仪测量结果不确定度的因素主要包括测量距离、环境光线、重复测量、测量对象尺寸大小、激光扫描仪分辨率等。本课题将对此进行试验研究，找出上述因素与不确定度间的规律。

2.1 测量距离对测量结果的不确定度2.1.1 试验方案

（1）首先用检校合格的相对精密仪器（游标卡尺）测量试验对象的尺寸，近似作为3D扫描仪测量数据的真值。

（2）在保持环境光线、测量对象等外部条件不变的情况下，计划性按照1 0、2 0……1 0 0 m等距离扫描试验对象的尺寸。

（3）根据3D扫描仪测量结果，从绝对误差及相对误差角度分别分析测量距离对误差的影响程度，找出3D激光扫描仪最佳测试距离。

（4）在确保环境光线、测量对象尺寸大小、激光扫描仪分辨率等可控因素影响测量结果最小的时候，重复（1）、（2）步骤，确定测距对测量结果的影响程度，给出测距对测量结果引起极限误差的范围。

2.1.2 试验结论

由大量的钢球及钢管扫描试验可知，在测量尺寸超过100mm的构件时，ScanStation C10徕卡3D激光扫描仪最佳测试距离为60～70m。在保证置信概率为95%时，正常工作条件下，由测距引起的扫描仪测量结果不确定度u1=2.79mm。

2.2 环境光线对测量结果的不确定度

3D扫描仪在房屋检测领域中应用时，多为白天或夜晚的自然光线，因此，课题研究时将对3D扫描仪在白天和夜晚工作环境下的扫描结果进行对比。

在90组扫描钢管直径及90组扫描钢球对比试验数据中，白天及夜晚扫描结果的差值（绝对值）≤1mm的共有84组及87组，分别占总数的93.3%和96.7%。另外，考虑到徕卡3D激光扫描仪精度为1mm，可见在白天及夜晚自然光线条件下，环境光线对管径扫描结果准确度的影响较小，可忽略不计。

2.3 构件尺寸对测量结果的不确定度

在保证最佳测试距离及较高扫描分辨率的条件下，对不同截面尺寸钢管或钢球进行扫描试验，得到以下主要结论。

（1） 3D扫描仪测试直径＜100mm以下的钢球或钢管（即测试构件尺寸＜100mm）时，测量数据离散性较大（即标准差较大），因此采用3D扫描仪测试尺寸超过100mm的构件较为适宜。

（2）在最佳测试条件下，3D扫描仪测试直径超过100mm的钢管或钢球时，绝对误差多＜1.5mm，基本呈现构件尺寸越大，绝对误差就越大的规律（经分析，当钢管及钢球直径越大时，制造误差及外界环境对构件形状影响就越显著，这是导致尺寸较大构件绝对误差相对较大的主要原因）；而相对误差基本呈现构件尺寸越大相对误差就越小的规律。

（3）在保证置信概率为95%时，正常工作条件下，由构件尺寸引起扫描仪测量结果的不确定度u2=1.08mm。

2.4 扫描分辨率对测量结果的不确定度

扫描分变率指的是被扫描物体表面激光信息点的距离。ScanStation C10徕卡3D激光扫描仪扫描分辨率共包括3种工况：①中等密度，10cm/100m（发射点到接收点距离100m时被扫描物体表面激光信息点与点之间的距离是10cm）；②高密度，5cm/100m；③超高密度，2cm/100m。正常情况下，采用较高的扫描分辨率耗时较长但精度较高，探讨扫描分辨率对误差的影响可以平衡时间成本及测量结果精度这一对矛盾因素。经过试验研究，可得到如下结论。

（1）中密度扫描分辨率适用于近距离且尺寸较大构件的扫描，受扫描距离及构件尺寸的限制，不建议在房屋检测工程中使用。

（2）在正常工作条件及保证测得结果误差概率为95%的情况下，高密度分辨率引起测量结果不确定度u3-1=2.01mm。

（3）在正常工作条件及保证测得结果误差概率为95%的情况下，超高密度分辨率引起测量结果不确定度u3-2=0.56mm。

2.5 重复测量对测量结果的不确定度

采用3D扫描仪开展测量工作，由于每次重复测量次数及测量对象都有不同，为了统一给出3D扫描仪的测量结果不确定度（包含各种因素引起的不确定度）及展伸不确定度，近似采用如下案例重复测量引起的不确定度作为常规重复测量引起不确定度的估计值。通过试验，可近似认为常规重复测量引起不确定度估计值u4=0.74mm。

2.6 合成不确定度及合成展伸不确定度

为了正确给出测量结果的不确定度，应根据上述研究成果及统计学理论，全面分析影响测量结果的各种因素，从而列出测量结果的所有不确定度来源，做到不遗漏、不重复。假定传递系数为1，设uc为合成不确定度，ui为各直接测得量Xi的标准不确定度，则：

根据公式1，在正常检测工作中，①在高密度扫描分辨率工作条件下，可得出各种因素对3D扫描仪测量结果合成不确定度为3.70mm，合成展伸不确定度为7.25mm（置信概率为95%）；②在超高密度扫描分辨率工作条件下，可得出各种因素对3D扫描仪测量结果合成不确定度为3.13mm，合成展伸不确定度为6.13mm（置信概率为95%）。

3 3D扫描技术在房屋检测工作中的应用

从ScanStation C10徕卡3D扫描仪测量结果不确定度的研究结论可知，3D扫描仪的测量精度在部分工程领域中的应用是能够满足相关要求的，如优秀历史建筑测绘、大跨结构挠度曲线测量等等。在房屋检测的实际工作中，经常会遇到传统的检测方法无法开展工作的情况，如角部为弧形的房屋倾斜测量、层高较大且登高较困难的结构检测、大跨度构件挠度测量等。3D扫描仪可以打破上述不利条件的限制，解决房屋检测过程中传统检测方法难以实现的难题。

3.1 扫描技术在优秀历史建筑测绘中的应用

同济中学图书馆暨杨浦区图书馆（图1）位于黑山路181号，原为旧上海市立图书馆，是1929年7月上海特别市政府颁布的“大上海计划”中重要的一环。由于经费原因，董大酉设计的原上海市图书馆并没有按其设计蓝图实施，仅完成一半的体量规模就投入使用（即为旧上海市立图书馆）。淞沪会战时因受到战事纷扰，建筑被挪为他用，也没有机会再复建完善。抗战胜利后，图书馆一直为同济中学使用，曾被用作教学楼、宿舍和体育活动室等，目前已空置。房屋于1994年2月15日被上海市人民政府批准为上海市第二批优秀历史建筑，保护类别为二类；2004年2月25日被上海市杨浦区人民政府核定公布为上海市杨浦区“区级文物保护单位”。随着上海市文化事业的蓬勃发展，杨浦区委、区政府决定将图书馆修缮扩建作为杨浦区图书馆新馆，工程将按建筑师董大酉最初的设计构想恢复建设成为一栋完整的建筑物。由于房屋历史建筑结构相关图纸遗失，特采用3D扫描仪测绘房屋外立面（图2）。

采用3D扫描仪并结合传统检测方法可大大提高测绘的精度，避免搭设登高设备，缩短施工工期并节约施工成本。3D扫描仪测绘图书馆外立面，不仅如实反映了房屋的美观及古朴，更重要的是外立面、门楼歇山式重檐、特色保护图案及花饰测量精度高，为后续维修提供可靠的依据和支持，受到业界一致好评。

3.2 扫描技术在大跨结构挠度变形测量中的应用

夏特装饰材料（上海）有限公司一期生产车间约建于2002年，3层框架结构，局部1层排架结构。房屋用地场区内地形较平坦，属滨海平原地貌；场地分布区原为农田，属古河道切割区，场地内有明暗浜分布。受场地内暗浜影响，车间竣工后房屋沉降变形较明显，目前最大累计沉降量已达258.9mm。由于车间钢梁跨度较大达25m，钢梁离地坪高度约15m，钢梁的挠度变形程度对房屋后续正常使用及屋面结构安全性至关重要，因此必须对屋面钢梁的挠度变形进行测量。

采用3D扫描仪测量钢梁挠度变形可大大提高测量结果的精度，避免搭设登高设备，缩短施工工期并节约施工成本（部分测量结果见图3）。屋面钢梁挠度变形结果表明，钢梁中部挠度变形约为-22～71mm，小于规范（CECS 102：2002）“钢梁挠度限值L/240”的要求。通过钢梁的挠度变形测量结果，可判定目前钢梁使用状况良好，后续可正常使用。

图1 同济中学图书馆全貌

3.3 扫描技术在大跨钢网架结构测绘中的应用

上海理工大学体育馆为钢筋混凝土框架结构，建于2000年前后。体育馆为大空间设计，部分为1层，屋面为大跨度弧形钢网架。因客观原因现无法找到原始设计图纸，需对大跨度弧形钢网架进行测绘。由于钢网架为弧形造型且高度较大，传统检测方法无法对钢网架进行精确测绘。3D扫描仪不但可以解决上述难题，克服传统检测方法的弊端和盲区，提高检测精度，而且避免了搭设登高设备，从而缩短了工期且大大降低了成本。通过Cyclone软件数据的转换，把模型导入CAD平面中，精确测量绘制网架结构平面图见图4。

3.4 扫描技术在膜结构测绘中应用

南环S36高速公路朱泾收费站为6车道收费站，采用伞形膜面钢骨架结构平面尺寸34.2m×16.8m，顶部共计6个伞面。从建成至今已使用6年左右，由于长期处于室外暴露环境，受光照、温度、风雨等外界自然环境影响较大，加之使用过程中部分位置缺乏必要的养护，据南环高速公路管理部门反映，收费站钢结构现已出现不同程度的锈蚀及老化现象，个别位置损伤严重。现场采用3D扫描技术测绘膜结构的布置是评估结构使用状况的重要一环，扫描结果见图5。

图5中，张拉膜结构等高线分布均匀、对称，疏密变化缓慢，过渡光滑，无重叠交叉等高线，说明当前膜面应力较为均匀，应力过渡平缓，无膜面应力过度集中现象，膜结构可继续使用。

3.5 扫描技术在建立三维模型及动画制作中的应用

2012年12月10日14时，位于浦江镇陈行公路1188号的上海东闵制衣有限公司（原陈行服装一厂）的一幢厂房在内部装修过程中，中部5个开间发生部分坍塌，只余下西侧3个开间和东侧4个开间。为了解局部倒塌后房屋的实际现状，为事故原因分析和后续处理提供客观依据，需对其进行检测记录。由于房屋现处于危险状态，未倒塌部分有随时倒塌的可能，故现场作业存在一定的风险；而传统的记录方式为拍照片记录，很难全面、形象地记录倒塌的现状。

采用3D扫描技术及后处理软件，可在不进入倒塌现场内部的条件下，建立倒塌房屋三维模型及动画现场（图6），为倒塌房屋现状保存及记录提供基础数据支持。

图3 20轴钢梁挠度变形图

图4 钢网架3D扫描平面图

3.6 扫描技术在圆角房屋倾斜测量中的应用

房屋倾斜变形状况是评价基础承载力及使用状况的重要指标之一，通常测量房屋角部棱线倾斜状况是检测工作中重要一环。现实中有很多房屋为追求建筑造型美观而角部为圆弧形，导致房屋角部倾斜状况无法测量。3D扫描技术可解决上述问题，通过对房屋的外墙面进行拟合，把拟合后的墙面进行延生相交（图7），经相交后生成虚拟棱线，对虚拟棱线进行倾斜测量，得出相应的房屋圆角处两个立面的倾斜量。

图5 朱泾收费站膜面等高线示意图

图6 现场扫描记录倒塌房屋三维图像

4 结语

综上所述， 3D扫描仪可应用于优秀历史建筑测绘、大跨结构挠度曲线测量、圆角房屋倾斜测量、建筑三维数字模型建立与动画模型创作等领域。3D扫描仪的应用打破了传统检测技术中施工高度及跨度较大、建筑结构造型复杂等制约难题，通过点云模拟等数字手段展示出其快速、准确、高效的技术特点。今后，3D扫描技术的应用还将进一步扩展，如结合BIM等软件，充分开发其后处理的强大功能，争取在房屋检测领域中开辟更多的应用空间。

建筑保护和使用的数字时代已经来临，3D扫描技术打开了智能数据采集的大门，必将在数字化土木发展的洪流中发挥更大的作用。

图7 3D扫描技术虚拟生成相邻立面角部棱线

参考文献：

[1]李海泉等．地面三维激光扫描测量精度的影响因素及控制方法[J]．测绘标准化，2011,1(27)．

[2]丁振良．误差理论与数据处理[M]．哈尔滨工业大学出版社，2015．

[3]费业泰．误差理论与数据处理[M]．机械工业出版社，2012．

[4]王穗辉．误差理论与测量平差[M]．同济大学出版社，2010．