三维激光扫描在建筑中的应用

陈 竣

（武汉职业技术学院，湖北 武汉 430070）

随着社会经济体系的飞速发展，城市化进程的加快，人口数量激增，导致城市人口的密集度也越来越高，随着人们对城市建筑的要求越来越高，城市的格局规划和环境问题也在迅速的凸显。而这些问题在随着电子计算机械进入建筑行业之后被解决掉了大部分，其中三维激光扫描技术已经成为了整个建筑行业的核心技术，相较于传统的测绘方法，三维激光扫描技术随着其精度高、安全性好、测量快等特点迅速挤占了传统的测绘市场，因此，将三维激光扫描技术应用在建筑领域工程中具有十分重要的现实意义。

1 三维激光扫描概述及技术原理

在测绘行业工作过的人们都知道传统的测绘方式是一种单点精确测量方式，虽然这种测绘方法测量的精度高在缺点也在这里，精度高也就代表着测绘速度慢、消耗时间长、打点速度慢等缺点，因此这种测绘方式应用于简易的建筑体测量是一种不错的选择，但面对如今越来越多的超高建筑体及非正常结构建筑体的测量就显得有很多的不足，这种超高建筑体以及非正常结构建筑体所需要的点数据动辄就是数万甚至数十万的点数据，而且由于建筑的超高型建筑，很多的点位数据是很难进行精准测量的并且测量的危险性极高。

三维激光扫描技术是一种进入二十世纪之后才开始发展起来的新型测绘技术，这是测绘领域在GPS技术的应用，RTK测绘技术之后的再一次技术革新，他在传统的单点测量方式基础上进行了改革创新，一种多点式测量方式也就是三维激光扫描技术被成功研发，因为其测绘速度快、精度高、效率高等特点被快速应用在建筑行业并广受欢迎。

其技术原理大致可分为3大类：1）脉冲式测距，脉冲式测距的技术原理是利用三维激光扫描仪发射出激光脉冲信号，再利用扫描仪中的棱角反射到被测物体的表面，再由扫描仪接收反射回来的信号，最后根据激光脉冲信号发射的时间和接收到激光脉冲信号的时间差来计算出三维激光扫描仪与被测物体表面的实际距离，这种测距技术所能应用的测距距离是最远的；2）相位式测距，所谓相位式测距，是指在三维激光扫描仪发射激光脉冲的时候，对其激光脉冲幅度进行调制，然后计算出激光脉冲从发射到接收之间的相位差，结合激光的波长和相位差最终计算出激光从发射到接收的传播时间，从而计算出扫描仪与被测物体表面的实际距离。这种测距技术应用的测距距离仅次于脉冲式测距；3）三角法测距，三角法测距是根据扫描仪的正长宽高等数据以三角形几何数据理论测算出扫描仪与被测物体表面的实际距离，但这种测距方法的测距距离范围比脉冲式测距以及相位式测距都要小很多，一般情况下，这种测距方法只会用于几十米范围内的测距，在此范围内扫描出来的点位数据精度是最高的。

2 三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用特点

三维扫描技术可以在不对实物的表面进行任何处理的情况下，直接从实物中快速的进行逆向三维数据的采集和模型重构，它能够保障这种采集到的数据的可靠性和真实性。这种技术最大的特点是他可以深入到各种复杂的空间当中去进行扫描以及数据采集，由于其高精度、高效率的独特优点，也被成为实景复制技术。

三维激光扫描技术的特点大致可分为几点：1）高效性，与传统的测绘技术相比，三维激光扫描仪可以在一秒内打出数百万个数据采集点，快速的完成数据采集，从而在电脑内形成三维数据图像，其测绘的效率要远远超出传统的单点精确数据采集；2）高精度，传统的测绘方式是通过对单点的数据进行整合然后绘制出测绘面，而三维激光扫描仪可以用数百万个激光脉冲信号测量出测绘面的数百万个测绘点，且能够调节分辨率来达到对精度的需求，扫描出的数据可在计算机中建立出三维立体模型，其精度细节要比传统的测绘方式要精确很多；3）高安全性，传统的测绘技术在对超高型以及非正常结构的建筑进行测绘的时候，由于很多点位难以测量，导致测量的安全性大大降低，而三维激光扫描仪是通过非接触的方式，通过自动化的操作系统，将参数设置好之后，扫描仪会自动的旋转，采集数据并对数据进行整理传输到计算机中，大大提高了其测绘环境的安全性，而且由于三维激光扫描仪是一个自动化的机械软件，因此其测绘流程与操作手法要比传统的测绘方式简要的多。

3 三维激光扫描技术在建筑施工中的应用

现阶段的三维激光扫描技术在相关部门的有力推动下，其技术越来越成熟，在各个行业中的应用制度也越来越完善，采集到的数据建立的模型库也越来越大，因此三维激光扫描技术被广泛应用在各个领域，特别是建筑领域，三维激光扫描技术以及成为了核心技术之一。

3.1 三维数据逆向建模

三维激光扫描技术是保证建筑施工实际测量数据精准度的核心技术，施工人员可以采用这项技术对施工现场的各种数据进行测量采集，然后将这些数据进行整合，为之后的施工流程提供可靠的数据依据。三维激光技术应用最多的是在超高型建筑和非正常结构建筑中，利用三维激光扫描技术对整个工程的相关点位数据进行扫描，随后在计算机内，根据扫描出的这些数据建立起三维数据模型。

比如我们在对一个非正常结构建筑做一个外部装饰如铺设玻璃幕墙或者给建筑加设一个悬空台，但是施工人员在进行建设的时候，发现实际的数据其实跟设计图上的理想数据是有一部分的偏差的，导致现有的材料构件无法按照原有的安装方式进行安装，这就需要施工人员利用三维激光扫描技术对整个平台或建筑面进行扫描，然后结合建筑的三维数据模型进行重新设计，最终由施工人员根据新的设计图完成建筑工程的安装。

传统的施工测绘技术单点采集较为精确，但多点数据采集特别是三维数据采集，其精确度较差，不仅延长的工期，还对建筑的工程质量和最终效果有着极大的影响。施工人员可以基于现有的三维激光扫描技术进行三维数据逆向建模工作，从而达到控制建筑工程成本、降低建筑施工风险、提高工作效率等目标，给后续的工程建设提供可靠的数据支持。

3.2 工程量及工程质量分析

对建筑工程的工程量和工程质量分析需要从施工过程和施工完成之后进行分别分析。

在施工过程中，施工人员可以利用三维激光扫描技术采集到的建筑主体的三维点云数据，然后件计算机中建立起相应的三维数据模型，然后将这个三维数据模型与施工的CAD模型和BIM模型进行三方对比，对于存在误差的模型位置，需要利用现有的技术和施工工艺进行修正，从而提供一份高精度的工程建设方案，从而达到缩短工期、提高工作效率、减少经济损耗等建设目标，确保工程的顺利进行。

对于施工完成也就是即将竣工的建筑，就需要施工人员对建筑的表面积进行计算，特别是对于超高型以及非正常结构的建筑体，其面积就需要更精确的计算，这不仅关系到施工单位与建筑企业方的后期核算，也关系到能否从数据中建筑的安全性和使用合理性进行风险预估。传统的测量方式由人工利用全站仪等精密测量仪器进行测量，但跟三维激光扫描技术相比传统测量方式的危险性还是要大得多，并且采用传统测量方式还具有测量出来的数据精确度差、耗时长、成本高等特点。

3.3 运维管理与变形监测

建筑工程验收环节最重要的是运维管理与变形监测，建筑企业单位将大量的时间、金钱和资源投入到建筑工程当中，就是为了工程在后期的运营阶段能够达到预期中的营收额，所以建筑企业方可以依据三维激光扫描技术采集的数据制定出科学合理运维管理制度，从而简化运维流程、降低运维成本、可及时对改、扩建计划作出调整。

将三维扫描技术的技术优势充分利用起来，可以给构建自动化、信息化、智能化以及一体化的智能运维管理平台提供可靠的技术和数据支持，提高了对施工空间、机械设备、企业资产的综合性管理的高效性。

变形监测工作在整个工程生命周期内占据重要地位，他不仅决定了工程质量，还直接影响着建筑结构安全问题。在对被测建筑进行全方位扫描数据采集之后，与建设施工中采集的各个数据进行对比，如出现误差，就要制定出可靠性与可行性较强的变形改良方案，从而保证建筑工程质量。

4 三维激光技术在建筑重建中的应用

建筑是一部石头史书，无论是古建筑还是近现代建筑，他都有一个时代的特征表现在建筑物上，这些建筑物记录了一个时代的发展和兴衰，无论是对于一个国家还是对于一个民族，都有着极其总要的几年意义。随着三维激光扫描技术出现，给破损或者遗失的建筑的修补或者重建带来了可能性，但是由于技术限制，如今还有许多问题需要攻克。

5 结语

三维激光扫描技术在建筑中的应用最重要的是给建筑工程提供了精确而可靠的数据，而数据是保证建筑工程质量和效率的核心依据，因此三维激光扫描技术是建筑工程的核心技术之一，且由于其精度高、效率高、安全性高等特点，其应用前景极广，相信通过对三维激光扫描技术的研究，能够给建筑行业带来勃勃生机。