三维激光扫描技术在建筑数字化模型中的应用

　　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[1]。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。

　　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。

　　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。

　　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 [6]，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。

　　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。

　　参考文献

　　[1] 金菁,李沄璋,曹毅.三维激光扫描仪在建筑领域的应用[J ].建筑与文化,2014 (04): 168- 171.

　　[2] 马立广. 地面三维激光扫描仪的分类与应用[J ].地理空间信息,2005(03):60- 62.

　　[3] 张启福,孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望 [J ]. 北京测绘,2011 (01): 39- 42.

　　[4] 李智兴,罗杰威.当代数字化设计模型分类及其案例分析[J ].建筑学报,2020 (02): 86- 93.

　　《三维激光扫描技术在建筑数字化模型中的应用》来源：《安徽建筑》，作者：张洪玮，李鑫