三维激光扫描仪及其在建筑行业中的应用

凌敏

摘 要：随着科技的革新，GPS和CORS空间定位系统逐渐发展完善，3D激光扫描技术在测绘技术领域越发引起关注，该技术可以对大范围的空间点位信息进行迅速的采集，通过对采集的数据进行后处理，构建观测体的三维影像。文章在介绍Focus 3D X330系统的基础上，利用该技术应用于上海某小区建筑群的三维影像模型构建，效果良好。

关键词：三维激光扫描；测绘技术；影像模型；建筑

中图分类号：P225.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0155-02

1 概述

3D激光扫描技术是近二十来年开始发展起来的一项基于空间定位系统的高新技术，尤其是对物体的精确刻画能力，故又名实景复制技术。它通过高速激光对物体的扫描测量，高分辨率、大范围地、快速地获取观测对象的三维坐标空间信息数据，通过系统软件对采集的空间点位信息数据进行处理，力图逼真构建观测体三维影像情景。该技术具有采集数据精度高和点位密集度高，信息数据处理自动化和数字化强大，信息数据采集迅速、主动，数据实时性和动态性好以及数据采集时无需接触物体并具有一定的穿透性等特征，其快速发展和在实践中的应用有可能又会引起测量技术的突飞猛进。

3D激光扫描技术，其原理是利用激光测距的方法，通过观测目标物体表层海量的、高密集的空间点位的三维坐标信息以及目标物体不同部位的纹理和反射率，有效地构建出观测目标的三维空间模型以及线、面、体等各种类型图件。3D激光扫描技术相对于传统的单点测量（如RTK），也是测量领域由点至面信息数据采集的一次革命性技术突破。现今，该技术在建筑建模、建筑形变监测、室内结构设计、建筑规划、地质灾害评估、地产行业高端建筑群设计、文化考古、数字工厂（管道、船舶和油罐）、地形扫描、地下矿区以及特殊环境等领域的关注度日益增强。鉴于此技术的实用性，在现代职业教育中，为了使课堂教学更好的服务于生产实践，各学校也陆续开始购置三维激光扫描仪，如上海市城市建设工程学校（上海市园林学校）于2017年5月份购置了两台Focus 3D X350新型激光扫描仪，并开始应用于生产实践。

2 Focus 3D X350系統介绍

Focus 3D X350是一款最新、最先进的高速3D激光扫描仪。Focus 3D X350只需要花费几分钟的时间，就能对比较复杂的观测体的几何形状提供详细的、高仿真性的三维模拟情景图像。新型的Focus 3D X350是一款超长测量距离的高速三维扫描仪，将扫描范围扩展至全新的尺寸，能够在阳光直射下扫描最远距离为 330 米的物体。同时，利用所集成的GPS接收器，这款激光扫描仪能够使每次扫描与后处理相互关联，而成为测量型应用的理想选择。

2.1 Focus 3D X350功能优势

Focus 3D X350新型激光扫描仪利用触摸屏实现了操作的简单化和直观化，具有如下功能：（1）集成式传感器；（2）独立解决方案；（3）外形小巧；（4）集成彩色照相机；（5）数据管理。除上述功能外，还集成有 GPS 传感器，能够让每次扫描与后处理相互关联，使其成为测量型应用的理想选择。

2.2 Focus 3D X350使用优势

（1）应用多样化。X350具有简单的仪器操控、外观设计小巧人性化， 在记录建筑施工监管、3D建筑设计、复杂工程、历史文化遗产保存等方面能够满足各种实践应用需求。

（2）记录室内环境。利用X350可以快速的对各种领域的室内环境和技术设施（如市政建筑施工、大型精密仪器的传送系统）进行3D记录生成。

（3）记录产品和组件信息。不管是在工艺产品设计时进行大型机械组件的检查，还是在复杂多变的钢架结构工程中，X350均能有效的对各种形状和尺寸的产品和组件进行扫描测量，并自动生成详细、高精度的数据和搭建观测体的三维实景模型。

（4）记录室外环境。X350可以对道路、河流、建筑物和各类景观特点进行精确记录，其最远可将120m外的物体进行实时记录。

3 应用案例

3.1 项目概况

扫描区域是上海市某小区，实施项目是小区刚建成竣工，业主单位希望通过对整片小区进行快速的测量，从而快速得到小区内建筑建成后的平面图以及建筑拐点坐标，从而对比设计之初与建成之后的相对偏差，为后期附属设施的建设和布置提供精准的数据参照。并且希望同时获得小区内建筑结构模型，从而传输到数字城市平台完善更新。

3.2 数据获取

3.2.1 扫描作业前的准备

本次扫描是为实现9栋居民楼进行立面图绘制和建模，为了达到要求目的，必须顺利采集9栋房屋的完整点云数据，并使得房屋点云能够有效、精确的进行拼接，并且减少架站点的个数。

3.2.2 作业详细步骤

根据测试要求，根据所提供的控制点个数和位置，为了更好的在点云上反应小区完整的信息，便于模型的建立，根据后方交会的原理，一共架设了22个站点和10个控制点。站点架设仪器位置，每一站都选择尽可能多的反应房屋内容或者重点需要表达的部位，站点之间需要至少2个控制点，标靶摆放在控制点上，标靶正对着扫描仪，这样在扫描仪精扫标靶的时候扫描到尽可能多的点，降低拟合标靶中心位置的误差，并且标靶放置在尽量离扫描仪远的位置，这样在坐标转换的过程中也把坐标转换误差降低到最小。

3.2.3 标靶中心坐标的获取

扫描仪旋转一周后，在PC上通过软件找到扫描点云反射率90%以上的物体（标靶），扫描仪会精细扫描标靶，在这个标靶上会扫描4000个测量点，通过这4000个点拟合出来标靶的中心，如果标靶是圆形的，则拟合出来标靶圆心。用全站仪获取标靶的中心坐标，只需望远镜对准标靶的中心即可。

3.3 数据预处理endprint

3.3.1 数据的坐标转换与拼接

把全站仪采集的标靶数据导出来，在Excel里编辑成（E N Z）格式的数据，在以.csv的数据格式保存下来。把数据导入软件，在软件的左边树状菜单栏下面有个TPL（PRCS），双击打开，导入特征点数据的选项。扫描仪扫描的时候会以激光发射中心做为坐标原点，起始方向做为X轴建立坐标系（SOCS），即扫描仪坐标系，扫描的站点是互不关联的。这些特征点符合好了，那么所有的点都转换到全站仪使用的坐标系中。把扫描仪扫描的坐标系导入到软件以后，使用后视方法，软件就会自动的解算相关位置，等结算完，坐标也转换了（可以用自动校准模块来多点云进行更详细的拼接，用以提高精度）。

3.3.2 剔除赘余点

3D激光扫描仪会把所观测的目标进行整体扫描，这样扫描下来的点位空间信息数据肯定会有部分的赘余数据，在对目标物进行3D情景模型以前，需要根据不同的需求去选择实用性数据，同时过滤掉部分不需要的数据或者人工删除那些非点数据。本次任务主要是获取9栋建筑物，所以可以选择性的保留下来9栋建筑物的全部点云数据，把其他的与此无关的多余点位空间数据剔除。

3.4 数据整理和成果展示

利用过滤后的点云进行加工，我们将点云导入CAD之中，使用相关控件，直接在点云上对房屋进行模型建立。

（1）导入CAD之后，使用point cloud控件，直接在点云上建立面片和房屋整体模型。

（2）利用CAD中的KUBIT插件，根据导入的楼体点云数据，直接建立的白模。

（3）利用3D-MAX软件，为建立好的模型贴纹理，使得效果更佳的逼真。

经过以上操作流程之后，附有色彩信息的三維立体模型就可以顺利的展示出来。

4 结束语

通过3D激光扫描仪对整个建筑群的扫描，获取了该小区建筑群的实际尺寸的各项点云数据，后期通过对数据进行有效处理，生成该小区建筑群的3D立体模型，从而得到相应的三维模型数据，拥有模型数据后便能提取任意的二维线画图资料。

建筑建模是三维激光扫描仪的一大主要应用方向，扫描仪的特性决定了应用于建筑扫描将非常得心应手，因为无论多复杂的建筑结构扫描仪都能完整细致地将每个建筑细节真实得从点云数据的角度反映出来，而且精度范围可控，加上现今建模软件越加趋于完善，尤其针对三维点云建模的软件和插件层出不穷，为三维扫描仪应用于建筑建模、建筑形变监测、室内结构设计、建筑规划、地产行业高端建筑群设计、文化考古、数字工厂（管道、船舶和油罐）、地形扫描、地下矿区以及特殊环境等领域提供了强劲的技术支持。

参考文献：

[1]宋平.三维激光扫描仪在地形测量中的应用[J].江西建材，2017，17：216-217.

[2]洪卓众.基于三维激光扫描仪的土方测量应用研究[J].城市勘测，2017，1：108-110.

[3]杨仕鹏.三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用研究[J].建材与装饰，2017，12：213-214.

[4]刘鹏.三维激光扫描技术在异型建筑玻璃幕墙中的应用研究[J].科技创新与应用，2017（03）：25-27.endprint