祁春輝

【摘 要】三維激光掃描技術(shù)是目前獲取三維空間數(shù)據(jù)最先進(jìn)的技術(shù)之一，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非接觸、高速、高精度地獲取實(shí)體和實(shí)景的三維數(shù)據(jù)，使得外業(yè)測(cè)繪的工作效率大大提高，將傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槊鏈y(cè)量，在工程測(cè)量中具有較好的應(yīng)用前景。BIM技術(shù)更加突出信息的綜合運(yùn)用和過(guò)程控制，二者的結(jié)合為工程測(cè)量的三維實(shí)景重建提供了更好的技術(shù)支持。

【Abstract】3D laser scanning technology is one of the most advanced technologies to obtain 3D spatial data. This technology can realize the 3D data of the entity and the real scene without contact， high speed and high precision， so that the efficiency of field surveying and mapping work is greatly improved. It transforms the traditional point measurement into surface measurement， and has a good application prospect in engineering survey. BIM technology highlights the comprehensive application of information and process control， and the combination of the two provides better technical support for 3D reconstruction of engineering survey.

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描；BIM；工程測(cè)量

【Keywords】3D laser scanning； BIM； engineering survey

【中圖分類號(hào)】TU17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）12-0176-02

1 引言

BIM（建筑信息模型）技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展異常迅速，在測(cè)量領(lǐng)域也出現(xiàn)了應(yīng)用的熱潮，在基于虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合基礎(chǔ)上，BIM技術(shù)的成效已經(jīng)凸顯。三維激光掃描技術(shù)是實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景重現(xiàn)的技術(shù)，該技術(shù)被譽(yù)為是繼GPS技術(shù)以來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)與BIM技術(shù)在工程測(cè)量中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，為工程測(cè)量帶來(lái)了新的改變。

2 三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)

2.1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，記錄物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)及反射率等信息，從而在復(fù)雜實(shí)體或?qū)嵕爸兄亟繕?biāo)的全景三維數(shù)據(jù)及模型，它區(qū)別于傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位測(cè)量技術(shù)，是測(cè)量數(shù)據(jù)采集的革命性技術(shù)突破[1]。三維激光掃描系統(tǒng)包括三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、電源及其它附件設(shè)備等，是一種新型的空間信息獲取方法，利用三維激光掃描技術(shù)，最大限度地反映目標(biāo)實(shí)體的真實(shí)情況，在任何復(fù)雜的環(huán)境或地理空間均可以進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，直接實(shí)現(xiàn)各類實(shí)體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)的完整采集，快速且完整地重新構(gòu)建出目標(biāo)實(shí)體的三維模型。而且可對(duì)采集的三維激光點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理分析，包括測(cè)量、分析、模擬、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等操作。三維激光掃描系統(tǒng)的工作過(guò)程，實(shí)際上就是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程。它通過(guò)具有一定分辨率的空間點(diǎn)所組成的點(diǎn)云圖來(lái)表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。

2.2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是對(duì)確定目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量，即高精度掃描測(cè)量，進(jìn)而得到完全的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些連續(xù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)叫作“點(diǎn)云”，能夠真實(shí)描述目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)，從而將獲取目標(biāo)的線、面、體、空間等三維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的三維重建[2]。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造包括高精度的激光測(cè)距儀和伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器，其能夠以均勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。掃描的過(guò)程是掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體表面漫反射再回到三維激光掃描儀的接收器，掃描的結(jié)果是獲得所測(cè)目標(biāo)物體的距離、角度、精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量激光脈沖橫向及縱向掃描角度觀測(cè)值α和θ，即得到目標(biāo)物的線面等外表特征量的精確測(cè)量。三維激光掃描儀的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1所示。坐標(biāo)系統(tǒng)為：激光發(fā)射處作為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為三維激光掃描儀初始轉(zhuǎn)動(dòng)軸，X軸、Y軸、Z軸互相垂直，坐標(biāo)系構(gòu)成右手坐標(biāo)系，Y軸在橫向掃描面內(nèi)，Z軸垂直于橫向掃描面。由此得到目標(biāo)點(diǎn)參照于掃描儀的相對(duì)坐標(biāo)。

2.3 三維激光掃描技術(shù)特性

三維激光掃描技術(shù)利用激光的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)物或?qū)嵕皰呙?，其具有以下一些特性：①三維激光掃描技術(shù)對(duì)掃描目標(biāo)實(shí)物不需要進(jìn)行任何處理，采用非接觸掃描方式直接獲取目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)信息，且采集的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。②采用三維激光掃描儀的采樣點(diǎn)速率最高可達(dá)到數(shù)百萬(wàn)點(diǎn)/秒，數(shù)據(jù)采樣率高。③三維激光掃描儀掃描過(guò)程中不受掃描環(huán)境的時(shí)間和空間的限制，實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域測(cè)量。④三維激光掃描技術(shù)采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字特性，方便數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、輸出和共享，數(shù)據(jù)的數(shù)字化和兼容性強(qiáng)。⑤三維激光掃描技術(shù)具有掃描數(shù)據(jù)高速、高精度、高分辨率的特點(diǎn)，可獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，目標(biāo)掃描實(shí)現(xiàn)高密度采集。⑥可與GPS系統(tǒng)配合使用，大大提高了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍，切實(shí)提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.4 BIM技術(shù)概述

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型），是以三維數(shù)字技術(shù)為依托，通過(guò)將建筑工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中建筑全生命周期的各類信息進(jìn)行處理，形成的共享的信息數(shù)據(jù)庫(kù)。它能夠?qū)⒏鱾€(gè)階段串聯(lián)起來(lái)，通過(guò)直觀的、可視的、真實(shí)的查詢、提取、更新相關(guān)信息，從而為協(xié)同工作提供技術(shù)支撐。實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)觀察和數(shù)據(jù)信息變更的同步，是建筑空間數(shù)字化的直接運(yùn)用[3]。endprint

3 三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

三維重建是指將“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型，這是三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合的核心，也是最終應(yīng)用成果的集成。隨著對(duì)“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)研究加深，自動(dòng)識(shí)別“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)成三維模型已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 地圖的應(yīng)用

因?yàn)橛?jì)算機(jī)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了紙質(zhì)地圖向電子地圖轉(zhuǎn)化，這是上一次地形圖的革命性的變革，極大地提高了地圖的生產(chǎn)、使用、共享和更新等各領(lǐng)域的工作效率。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷成熟和普及，三維激光掃描測(cè)量的應(yīng)用，地圖的又一次變革正在發(fā)生。在地圖生產(chǎn)階段，三維激光掃描儀可以每秒采集上百個(gè)點(diǎn)，且具有mm級(jí)的精度。引入BIM技術(shù)的地圖具有可視性、信息量大等特點(diǎn)[4]。BIM是一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)各種專業(yè)信息，地圖的識(shí)讀非常方便，給數(shù)據(jù)的查詢、提取、編輯相關(guān)信息帶來(lái)了很大的便利。

3.2 工程測(cè)量中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的測(cè)量放樣工作中，測(cè)量人員使用的是二維圖紙，放樣前要先計(jì)算、檢核放樣數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量坐標(biāo)、角度、距離等數(shù)據(jù)進(jìn)行放樣，放樣過(guò)程中無(wú)法直觀、同步表達(dá)不同放樣點(diǎn)間的相對(duì)位置和幾何關(guān)系，更無(wú)法及時(shí)找出過(guò)程中可能出現(xiàn)的差錯(cuò)和問(wèn)題。因?yàn)锽IM技術(shù)的應(yīng)用，放樣過(guò)程得到了簡(jiǎn)化，BIM圖紙與測(cè)量?jī)x器可以在三維模型中直觀地顯示出來(lái)，工作人員可以直接找到個(gè)人的放樣點(diǎn)，更方便、直觀得放樣出位置。極大地提高了放樣的工作效率，增加了放樣測(cè)量結(jié)果精確度。有效控制了工程施工質(zhì)量，對(duì)于提升放樣結(jié)果準(zhǔn)確度和工程測(cè)量整體質(zhì)量起到極大的促進(jìn)作用。

3.3 古建筑測(cè)繪的應(yīng)用

利用三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)進(jìn)行有效對(duì)接，實(shí)現(xiàn)古建筑從數(shù)據(jù)采集、處理、三維實(shí)體模型重建的一整套工作流程。通過(guò)掃描測(cè)量對(duì)古建筑的整體或局部進(jìn)行高精度測(cè)量，從而獲得連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的點(diǎn)數(shù)據(jù)，即“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，再對(duì)“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，配準(zhǔn)、并將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入BIM軟件，建立三維模型。BIM技術(shù)能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行分析，對(duì)古建筑進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算構(gòu)件受力等，并不斷擴(kuò)充和優(yōu)化模型信息，有效管理關(guān)聯(lián)的數(shù)字模型。

4 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)結(jié)合所形成的工程測(cè)量新方法不斷深化的應(yīng)用，將測(cè)量向科技化、智能化方向不斷拓展，完整地記錄整個(gè)測(cè)量過(guò)程，連通了虛擬與現(xiàn)實(shí)，是工程測(cè)量信息化的發(fā)展方向。

【參考文獻(xiàn)】

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