三维激光扫描技术在建筑数字化模型中的应用

（北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144）

三维激光扫描技术又称实景复制技术，其工作原理是由内部的激光发射器发射激光，经过垂直反射镜和水平反射镜折射射向目标，激光反射回来的被扫描仪接收，内部的距离测量模块可以测量反射时间和激光强度，再通过S=1/2ct（c为光速，t为时间）得到目标点与扫描仪之间的距离，同时各传感器会记录激光发射的角度θ，再利用极坐标系与笛卡尔坐标系之间的相互转换关系计算出目标点的X，Y，Z坐标，从而得到大量带有三维坐标和反射率信息的点，并经过内部软件转换成数据信息，构建被测物体的数字化模型。相较于传统的空间数据采集方式，三维激光扫描技术更加便捷高效，在建筑数字化领域得到了广泛的应用。

1 三维激光扫描流程

三维激光扫描技术诞生于上世纪九十年代，此前人们对于空间数据的获取方法是离散单点采集坐标法或用二维的光学摄影获取图像数据。前者对器材、场地要求较高，且工作繁琐，效率低下，后者存在器件固有误差、景深不足，实物表面需要预处理等问题。两者都无法给空间信息科学提供足够的采样量，难以准确表达对象的真实状况。现今三维激光扫描技术作为一项成熟的技术，已被广泛使用（图1）。

三维激光扫描仪主要由激光发射器、接收器、时间计数器、旋转滤光镜、集成控制电路、CPU（中央处理器）、CCD（电荷耦合元件）及相关图像转换软件等组成。其工作时，最高测量速度可达50000～1200000点/秒，可通过非接触的测量方式，来获取地形或复杂物体的几何图形数据和影像数据，进而通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理分析，转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标，并可建立复杂结构及不规则形状的实体三维可视化模型。相较于过去逐个测量每个点，该方法可在瞬间发射百万束激光并同时进行分析，效率大大提升。

图1 三维激光扫描技术原理

三维激光技术按激光类型分，可分为相位式和脉冲式两类。其工作原理的主要区别：相位式扫描仪是根据反射回来的激光相位差来计算距离，脉冲式扫描仪是根据反射光线的时间差来计算。基于此不同，相位式三维扫描仪相较于脉冲式扫描仪，扫描速度快，扫描精度高，但对于长距离的扫描，会受到空气中的电磁波干扰，从而对精度有较大影响，所以它扫描距离较短，大约在一百多米，脉冲式与之相反，多用于长距离的扫描，受干扰幅度小，最远可达千米。实际测量中需要对现场测量状况进行即时评估，采用适宜类型的扫描仪，才能真正发挥其最大优势。

三维激光扫描仪作业流程可概括为前期工作准备、外业数据采集、内业数据加工、点云后期应用四个阶段。前期工作准备阶段是进行实地踏勘并制定详细扫描方案，然后根据方案设置扫描站点数量、位置等，尽可能减少站点数量，保证测量精度的前提下提高效率。然后是外业数据采集，按照前期制定的工作方案，采集相关点云数据，采集完成后如发现问题数据需及时修正。在内业数据处理阶段，需要用相关图像转换软件（如VXelements、Geomagic等）对点云数据进行抽析、拼接、优化。点云是包含了物体三维坐标值、色彩信息的数据，优化过程包括点云数据连接、数据过滤、数据简化、点云数据上色等步骤，优化后得到可用的精确点云数据。最后一步点云后期应用是指基于原始点云数据，通过使用相关模型制作软件进行模型封装，从而构建建筑模型、输出建筑图纸等。

2 三维激光扫描在建筑数字化的应用领域

2.1 建筑制图

利用三维激光扫描可获得对象的点云数据，目前主要有两种用点云数据制图的方法，第一种是根据点云数据生成正射影像，再根据正射影像绘制建筑平立剖面图。其过程是先利用三维激光扫描技术获取数据，再用算法优化点云数据，最后根据算法生成正射影像。这样计算出的数据包含每个扫描位置的空间数据，如纹理，颜色、反射率等，可用于含有复杂表面花纹的建筑以及壁画、雕塑等，将它们的空间数据保存。同时这种方法还能利用模型生成较精致的建筑立面图，相比于摄影，其排除了透视误差，拥有更高的精度。图2所示为三维激光扫描技术在山西某古建筑数字化采集工作中的应用实例。

图2 历史建筑数字化模型

第二种方式是将点云数据进行“薄片化”处理，并运用CAD软件将“点云薄片”生成二维线条图形，从而可绘制建筑的平、立、剖面图。需注意的是，该方法需将云密度控制在合理范围，从而兼顾图形的精细度和计算机硬件的负载情况。因此，相较于第一种方法，该方法数据处理速度更快速，操作更简便，但图像精度方面略逊一筹，不适合绘制壁画、彩绘、雕塑等复杂形体和构图的精细化图样，仅适合绘制线型应用不复杂的建筑正视图。

2.2 古建筑资料存档

我国的历史建筑在世界上独一无二且极具特色，但随着自然侵蚀和人为破坏等，已有大量古建筑随着时间而消失，这将是文化遗产研究方面的一大损失，为了保护这些建筑，可利用三维激光扫描技术将其空间数据收集，建立档案，以方便未来的修复和重建。成熟的三维激光扫描技术能很好地解决这一难题，三维激光扫描技术的数据采集效率，测量精度方面远超传统方式，并且它属于无接触测量，相比于传统方法能更好地保护脆弱的历史建筑。图3所示为某历史建筑的采用三维激光扫描技术生成的点云立面图信息。

图3 历史建筑的点云立面图

2.3 构建数字实体模型

随着信息化工程和BIM的发展，如今需要一种精确的方法检测施工质量和施工精度，从而减少施工时间和保证建筑的安全性。三维激光扫描技术很好地承担了这一任务，其能够将数字模型与实际工程联系起来，即时再现施工现场。其利用点云数据进行处理，形成BIM模型，方便检测建筑成果质量。其中在特异性建筑中该技术优势明显，如对管道支架的检测。管道支架是轴向骨架，由若干组管道支架（间距1.5～2.5 m 不等）组成，根据使用功能呈现各种复杂、弯曲的造型，且其规定管道平整度要求优于±5 mm。由于空间变化丰富，对尺寸精度要求较高，且管道是具有一定厚度的钢结构，因此在管道支架生产加工时，需要对加工精度进行检测以控制误差。采用传统测量方式工作量大，可靠性低，而三维激光技术可快速对每一根管道进行扫描，得到点云数据，建立编号，构建三维模型，再利用施工图纸建造管道模型，将两个模型进行空间数据匹配，成彩色对比图和偏差数据，做出偏差报告，从而解决问题和错误。该方法不但提高了测量准确度，减少了工作量，而且保证了管道支架的生产精度满足设计规范要求。图4所示为利用三维激光管道数字化建模。

图4 三维激光管道数字化建模

2.4 建筑变形分析

传统的变形监测方法是基于固定有限的观测点进行监测，利用专用仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析和对变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作，其只能反映建筑的局部形变情况，而三维激光扫描技术作为测绘领域的一次重大技术变革，打破了传统的接触式测量模式。传统的测量方式是在建筑的特征部位埋设变形监测点，同时在建筑上设置检测标志，定期比较检测标志与基准点之间的变形量，这种检测方式需要合理设置观测标志和基准点，难以完整客观地反映建筑变形，而对于大型钢结构建筑这种测量方式更加难以呈现建筑微小部位的变形，三维激光扫描仪能够快速、便捷地对建筑物进行全方位的测量，通过收集和比较不同时间点的建筑三维点云数据，不需接触建筑就可以反映建筑的微小变形。

2.5 建筑设计与3D打印

3D打印技术是根据数字模型分层打印的技术，它实现了从设计蓝图到三维模型的转化，该技术可与三维激光扫描技术完美衔接。具体操作中，可以使用三维激光扫描技术构建数字模型，再利用3D打印技术将数字模型实体化，方便展示与参考。可以预见的是，这两项技术的结合必定会为建筑设计提供一种全新的设计思路。

3 结论

三维激光扫描技术打破了传统单点测量的方式，通过高效便捷的技术方法记录建（构）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，并可建立数字化信息模型。该技术不仅能减少测量工作量，降低测量成本，而且可以利用点云数据制作CAD建筑图纸、制作BIM模型和3D打印模型。相信随着三维激光扫描技术的发展和制造成本的降低，数据处理软件不断完善，该技术将会在建筑数字化模型构建领域将得到更广泛、更成熟的应用。