三维激光扫描技术在建筑物中的应用

朱世成

摘    要：随着城市的快速发展，许多超高层建筑，地标性建筑崛地而起。而这些建筑特点多倾向于超高层及异形。传统的测量方式面对这些建筑有精度低，效率低，难度大的缺点。而三维激光扫描技术可以弥补这些缺陷，相对于传统测量有较大的优势。本文主要讲述了三维激光扫描原理、特点、操作过程和最后的应用效果，对实际工程有较好的参考价值。

关键词：三维激光扫描;建筑;原理;过程;应用效果

1  三维激光扫描的原理

三维激光扫秒技术原理有脉冲式测距、相位式测距、激光三角法测距。其中脉冲式测距原理是利用三维激光扫描仪发射出激光信号，然后扫描仪中的棱镜反射至目标物表面，扫描仪接收反射回来的信号，最后通过发射激光信号至接收激光信号的时间来测量待测物至扫描仪发射中心的距离[1]。相位式测距原理是：对扫描仪激光脉冲的行进幅度进行调制，同时测量激光脉冲从发射到接收的相位差值，再根据激光的相位差和激光波长计算激光的传播时间，最后计算目标物至扫描仪激光发射中心的距离，相位式测距的有效测量距离介于脉冲式和三角法之间。激光三角法测距原理：根据三角形的几何关系从而计算出被扫描物体至扫描仪激光发射中心的距离，它的测距范围最小，一般只有几十米扫描精度最高，在医学领域和精密测量方面得到了广泛的应用，如医学整形、矫正手术、工业设计、人体测量以及在线加工等。

2  三维激光扫描的特点

三维激光扫描的有高效性、高精度、高安全性、自动化操作等特点[2]。其中高效性体现在三维激光扫描仪可以每秒打出数百万个点，快速形成空间信息图像，相对于传统人工测量方式大大节省工时。高精度体现在以往人工测量往往是以点带面的形式展现，而三位激光扫描仪内装有精密的传感器，可以调节分辨率达到工程对精度的需求，并能够空间成像，形成空间点的坐标，对目标体形成更加细腻的展现。高安全性体现于非接触式测量，以往人工测量需要拿工具比如卷尺、靠尺等去需要测量的地方进行测量，由于恶劣的环境限制加大了测量的危险性，而三维激光扫描测量则可在相对安全的环境下进行测量。自动化操作体现在，三维激光扫描仪设置好参数后，仪器则可以自动旋转，进行数据收集。而传统测量如全站仪测量则需要全程人工参与，相比与传统扫描方式，三维激光扫描更加容易操作，更具有适用性。

3  三维激光扫描的过程及效果

三维激光扫描的过程包括外业数据收集和内业数据处理，其中外业数据的误差主要来源于测距过大产生的误差，测角误差，及目标物外表面粗糙的误差。三维激光扫描仪打到目标物上的点在近距离是个极小的点，激光反射回来的路径的直线路径，是直线距离，而随三维激光扫描仪与被测物体的距离增大，三维激光扫描仪打出去的点是一个光斑，而在光斑内的任意第一个反射回的点都是仪器与目标物体的距离，并不是直线路经进而产生误差。测角误差主要来源于在测量时，棱镜高速旋转产生微小的振动，镜面平整度误差以及扫描电机不均

匀转动的控制误差[3]等。目标物表面误差主要来源于在一般情况下，扫描仪只会接收到从单一待测物反射回来的信号，但是如果激光脉冲信号刚好发射到两个或两个以上物体的交界处时就会从物体A和物体B同时反射回波信号到扫描仪的接收器，这两个回波信号会发生干扰，会使信号产生一个时间延迟，导致测距误差，被称为多路径误差。那么针对于这些误差来源，外业数据收集时，三维激光扫描仪应该架设在被测目标物无遮挡干扰的位置，并且在超高层建筑物中，应尽量架设在离超高层较近且高度在超高层高度一半左右的位置，因為俯角过大或仰角过大都会造成点云数据过少的情况，从而影响其精度。如果受环境限制，不能找到这样理想的架设位，则应适当调整分辨率，保证有足够的点云数量。在测量异形建筑物时，仪器架设位置和操作方式也应满足上述条件。

内业数据处理，主要包括点云预处理，点云除噪处理，Bim模型处理，最后Bim模型与点云数据在Geomagic软件中拟合进行偏差分析。点云预处理，主要是利用三维激光扫描仪自带软件，将点云格式生成我们3D软件可以处理的格式，然后将点云模型输入Geomagic软件中进行除噪，除噪时，我们先用软件除噪，软件除噪只能去除一些非常离散的点，之后我们还要进行人工除噪，比如建筑物上有一些干扰物，如吊篮和吊绳等。人工除噪应劲量删到只剩我们需要的目标物为止，这样进行后期拟合时可以大大减少噪点的干扰。Bim模型的处理，Bim模型首先我们应当保证其准确性。然后应将Bim模型先导入3D Max软件中生成stl格式后才能导入Geomagic软件中。在此要特别说明在超层建筑中，无论点云数据还是Bim数据都要进行分面分段处理，这样会大大减小数据的内存，如果超高层建筑不经分面分段的处理，会导致数据过大，在进行数据处理的时候会造成操作的卡顿。分面分段后进行Bim模型数据与点云数据的拟合与对比，在拟合后我们便可以根据色谱观察，比如红色我们设定为超出规范允许偏差。那么图像上出现红色的部分与区域便是我们应该进行注意的地方，我们要在红色区域标点进行偏差标注，其标注上会显示x，y，z值，分表代表在三个方向的偏差值。我们应当进行具体分析，如果偏差值过大则说明存在噪点的影响，软件将噪点也计算在内所致，因为是人工除噪，这种情况不可避免。我们可以找该点附近的点进行标注。尽量在红色区域进行多点标注，这样能更好的分析出偏差趋势。

4  总结与展望

三维激光扫描仪作为测绘界的新星，受到了广泛的关注，应用领域也日益增加，在变形监测领域也有很多探索和尝试，但是其监测方法和工程应用还没有形成体系。本文主要在三维激光扫描技术的原理，特点，操作过程及效果进行讲述，对工程有着一定的参考价值。但三维激光扫描技术还有一些方面需要改进与完善，比如精度方面，精度已经达到甚至超过全站仪的精度，但应有一个精度检验的体系进行验证。还有点云处理方面，点云的数量过大，噪点过多，人工处理不可能删除干净，而多余噪点会对分析产生很大的干扰，在除噪方面还有待完善。随着技术的发展和仪器的更新，三维激光扫描仪在变形监测领域将会得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 王潇潇.地面三维激光扫描建模及其在建筑物测绘中的应用[D].中南大学，2010.

[2] 赵煦.基于地面激光扫描点云数据的三维重建方法研究[D].武汉：武汉大学，2010.

[3] 郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[J].测绘工程，2005（2）：32～34.