三維激光掃描技術(shù)又稱實景復(fù)制技術(shù)，其工作原理是由內(nèi)部的激光發(fā)射器發(fā)射激光，經(jīng)過垂直反射鏡和水平反射鏡折射射向目標(biāo)，激光反射回來的被掃描儀接收，內(nèi)部的距離測量模塊可以測量反射時間和激光強度，再通過 S=1/2ct (c 為光速，t 為時間) 得到目標(biāo)點與掃描儀之間的距離，同時各傳感器會記錄激光發(fā)射的角度 θ，再利用極坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系計算出目標(biāo)點的 X，Y，Z 坐標(biāo)，從而得到大量帶有三維坐標(biāo)和反射率信息的點，并經(jīng)過內(nèi)部軟件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建被測物體的數(shù)字化模型。相較于傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)采集方式，三維激光掃描技術(shù)更加便捷高效，在建筑數(shù)字化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　1 三維激光掃描流程

　　三維激光掃描技術(shù)誕生于上世紀(jì)九十年代，此前人們對于空間數(shù)據(jù)的獲取方法是離散單點采集坐標(biāo)法或用二維的光學(xué)攝影獲取圖像數(shù)據(jù)。前者對器材、場地要求較高，且工作繁瑣，效率低下，后者存在器件固有誤差、景深不足，實物表面需要預(yù)處理等問題。兩者都無法給空間信息科學(xué)提供足夠的采樣量，難以準(zhǔn)確表達(dá)對象的真實狀況�，F(xiàn)今三維激光掃描技術(shù)作為一項成熟的技術(shù)，已被廣泛使用(圖 1)。

　　三維激光掃描儀主要由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器、旋轉(zhuǎn)濾光鏡、集成控制電路、CPU (中央處理器)、CCD (電荷耦合元件)及相關(guān)圖像轉(zhuǎn)換軟件等組成。其工作時，最高測量速度可達(dá) 50000~1200000 點 / 秒，可通過非接觸的測量方式，來獲取地形或復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)，并可建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)及不規(guī)則形狀的實體三維可視化模型[1]。相較于過去逐個測量每個點，該方法可在瞬間發(fā)射百萬束激光并同時進(jìn)行分析，效率大大提升。

　　2 三維激光掃描在建筑數(shù)字化的應(yīng)用領(lǐng)域

　　2.1 建筑制圖利用三維激光掃描可獲得對象的點云數(shù)據(jù)，目前主要有兩種用點云數(shù)據(jù)制圖的方法，第一種是根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成正射影像，再根據(jù)正射影像繪制建筑平立剖面圖。其過程是先利用三維激光掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，再用算法優(yōu)化點云數(shù)據(jù)，最后根據(jù)算法生成正射影像。這樣計算出的數(shù)據(jù)包含每個掃描位置的空間數(shù)據(jù)，如紋理，顏色、反射率等，可用于含有復(fù)雜表面花紋的建筑以及壁畫、雕塑等，將它們的空間數(shù)據(jù)保存。同時這種方法還能利用模型生成較精致的建筑立面圖，相比于攝影，其排除了透視誤差，擁有更高的精度。圖 2 所示為三維激光掃描技術(shù)在山西某古建筑數(shù)字化采集工作中的應(yīng)用實例。

　　第二種方式是將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行“薄片化”處理，并運用 CAD 軟件將“點云薄片”生成二維線條圖形，從而可繪制建筑的平、立、剖面圖。需注意的是，該方法需將云密度控制在合理范圍，從而兼顧圖形的精細(xì)度和計算機硬件的負(fù)載情況。因此，相較于第一種方法，該方法數(shù)據(jù)處理速度更快速，操作更簡便，但圖像精度方面略遜一籌，不適合繪制壁畫、彩繪、雕塑等復(fù)雜形體和構(gòu)圖的精細(xì)化圖樣，僅適合繪制線型應(yīng)用不復(fù)雜的建筑正視圖

　　2.2 古建筑資料存檔我國的歷史建筑在世界上獨一無二且極具特色，但隨著自然侵蝕和人為破壞等，已有大量古建筑隨著時間而消失，這將是文化遺產(chǎn)研究方面的一大損失，為了保護(hù)這些建筑，可利用三維激光掃描技術(shù)將其空間數(shù)據(jù)收集，建立檔案，以方便未來的修復(fù)和重建。成熟的三維激光掃描技術(shù)能很好地解決這一難題，三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集效率，測量精度方面遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方式，并且它屬于無接觸測量，相比于傳統(tǒng)方法能更好地保護(hù)脆弱的歷史建筑。圖 3 所示為某歷史建筑的采用三維激光掃描技術(shù)生成的點云立面圖信息。

　　2.3 構(gòu)建數(shù)字實體模型隨著信息化工程和 BIM 的發(fā)展，如今需要一種精確的方法檢測施工質(zhì)量和施工精度，從而減少施工時間和保證建筑的安全性。三維激光掃描技術(shù)很好地承擔(dān)了這一任務(wù)，其能夠?qū)��?shù)字模型與實際工程聯(lián)系起來，即時再現(xiàn)施工現(xiàn)場。其利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成 BIM 模型，方便檢測建筑成果質(zhì)量。其中在特異性建筑中該技術(shù)優(yōu)勢明顯，如對管道支架的檢測。管道支架是軸向骨架，由若干組管道支架(間距 1.5~ 2.5 m 不等)組成 [6]，根據(jù)使用功能呈現(xiàn)各種復(fù)雜、彎曲的造型，且其規(guī)定管道平整度要求優(yōu)于±5 mm。由于空間變化豐富，對尺寸精度要求較高，且管道是具有一定厚度的鋼結(jié)構(gòu)，因此在管道支架生產(chǎn)加工時，需要對加工精度進(jìn)行檢測以控制誤差。采用傳統(tǒng)測量方式工作量大，可靠性低，而三維激光技術(shù)可快速對每一根管道進(jìn)行掃描，得到點云數(shù)據(jù)，建立編號，構(gòu)建三維模型，再利用施工圖紙建造管道模型，將兩個模型進(jìn)行空間數(shù)據(jù)匹配，成彩色對比圖和偏差數(shù)據(jù)，做出偏差報告，從而解決問題和錯誤。該方法不但提高了測量準(zhǔn)確度，減少了工作量，而且保證了管道支架的生產(chǎn)精度滿足設(shè)計規(guī)范要求。圖 4 所示為利用三維激光管道數(shù)字化建模。

　　3 結(jié)論

　　三維激光掃描技術(shù)打破了傳統(tǒng)單點測量的方式，通過高效便捷的技術(shù)方法記錄建(構(gòu))筑物的外觀、結(jié)構(gòu)、色彩、紋理等信息，對測量的對象進(jìn)行實景復(fù)制，并可建立數(shù)字化信息模型。該技術(shù)不僅能減少測量工作量，降低測量成本，而且可以利用點云數(shù)據(jù)制作 CAD 建筑圖紙、制作 BIM 模型和 3D 打印模型。相信隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展和制造成本的降低，數(shù)據(jù)處理軟件不斷完善，該技術(shù)將會在建筑數(shù)字化模型構(gòu)建領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛、更成熟的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 金菁,李沄璋,曹毅.三維激光掃描儀在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J ].建筑與文化,2014 (04): 168- 171.

　　[2] 馬立廣. 地面三維激光掃描儀的分類與應(yīng)用[J ].地理空間信息,2005(03):60- 62.

　　[3] 張啟福,孫現(xiàn)申.三維激光掃描儀測量方法與前景展望 [J ]. 北京測繪,2011 (01): 39- 42.

　　[4] 李智興,羅杰威.當(dāng)代數(shù)字化設(shè)計模型分類及其案例分析[J ].建筑學(xué)報,2020 (02): 86- 93.

　　《三維激光掃描技術(shù)在建筑數(shù)字化模型中的應(yīng)用》來源：《安徽建筑》，作者：張洪瑋 ，李鑫

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