三维激光扫描技术在旧房改造设计中应用——以珲春阳光小区为例

刘翰霖 林 楠 刘永吉

(吉林建筑大学测绘与勘查工程学院 吉林长春 130118)

0 引言

三维激光扫描仪是近年来新兴发展的一项高新技术，具有着快速、精准、方便、非接触的独特优势，这些独特优势使得其可以有效解决采集数字化信息的难题。相较于传统的单点测量技术，三维激光扫描技术能连续自动地获取批量数据，提高了测量的精度与速度。这些优势使其被广泛应用于各个领域，包括地形测量，古建筑结构测量，变形监测，游戏场景制作，文物保护，电影特技等，是目前国内外测绘领域关注的热点之一。

基于此，本文首先阐述了三维激光扫描技术的数据来源，然后以珲春阳光小区为案例，论述其在旧房改造设计中应用。

1 数据来源

1.1 点云数据的获取

通过查阅相关资料，获取德国Z+F IMAGER 5010C型号仪器操作方法，进行实地踏勘前结合珲春阳光小区周边情况制定合理的布设方案，如图1所示。三维激光扫描仪可通过扫描已知坐标的2个或2个以上标靶球进行坐标转换自由设站，也可以在已知控制点上置镜扫描另外一个已知控制点上球棱镜进行已知点设站[1]。

图1 扫描路线示意图

传统测量方式一般采取单点测量方式，而三维激光扫描技术利用的则是从水平至垂直的步进式全自动360°扫描测量[2]。在进行三维激光扫描时，对楼房扫描数据精度影响较大的是它的入射角，当入射角超过60°时扫描数据误差会急剧增加[3]。数据采集可根据入射角及楼房长度和宽度来确定最大测站间距选择设站位置、设站方式，在设置好扫描范围、扫描质量、扫描分辨率以及拍照参数后然后进行自动扫描。

1.2 点云数据处理

1.2.1点云数据预处理

点云数据的预处理一般分为4个部分，其包含有点云数据的去噪、点云数据的滤波、点云数据的抽稀以及点云数据的格式转换[4]。

在应用地面三维激光扫描仪进行实际扫描时，会受到人为的或其他因素的影响，点云数据中或多或少混入了噪声点，根据以往经验以及文献记载证明，扫描所获得的点云数据内，大约存在0.1%～5%的噪声数据是需要清除，所以在使用这些点云数据之前，必须要去除点云数据中所混入的噪声。去噪后的点云数据如图2所示。

图2 去噪后的点云数据

根据噪声数据的高频率特性，通过设计合适的滤波函数，对高频噪声数据进行平滑处理。平滑滤波一直是常用的有序点云去噪方法。现阶段数据平滑通常采用高斯、平均、和中值滤波算法，如图3所示。

图3 三种常见的滤波效果

点云抽稀是在对点云数据进行去噪和滤波处理之后所必需进行的操作。通过三维激光扫描仪所采集到的点云数据是海量的，实施多期数据的拼接会出现很多重叠的区域，而且重叠面积比较广。这些重叠区域在后续的建模中会严重影响数据的简洁性和实用性，如图4所示。

图4 抽稀后的点云数据

所谓的点云格式转换，是指为了将处理好的数据可以导入到建模软件中经历的必不可少的一个步骤。输出的点云文件格式一般为.asc文件，需要将其改为.xyz格式文件，然后导入Autodesk recap 2016，转换为Revit可以使用的两种点云格式(rcp格式和rcs格式)。

1.2.2点云数据精度评定

为了分析拼接点云数据的总体精度，利用高精度Lecia TS30全站仪选取建筑物特征点和特征边，利用极坐标测量和对边测量的方法，进行点位坐标测量和边长测量，将测量结果作为真值检查点云数据的精度。

(1)坐标检查

设某一特征点的全站仪测量坐标为(X0,Y0,Z0)，基于点云数据量取的特征点的坐标为(X1,Y1,Z1)，则：

本次试验共选择了20个特征点进行检核，观测数据如表1所示，计算点位中误差为±0.0239m。

表1 特征点坐标与全站仪实测坐标对比表 m

(2)边长检查

基于点云数据量取10条特征边长，与全站仪实际量取值进行对比分析，如图5所示。通过数据比对计算所量取特征边的中误差为±0.0184m(表2)。

图5 数据对比柱状图

表2 特征边长与全站仪实测边长对比表 m

从特征点和特征边的检查分析结果可以看出，扫描的点云数据精度较高，与高精度全站仪测量结果对比，误差均在±5cm范围，该精度完全可以满足三维模型建立。

2 研究过程

基于加大住房保障,中央政府高度重视棚户区改造,全国各地面对繁重的改造任务,普遍面临的难题是资金短缺,影响项目推进[1]。在有限的资金和时间的影响下，传统的GPS RTK和全站仪等二维测量技术已无法满足现实中施工效率的需要，因此该改造将三维激光技术引入具体施工中，充分发挥目标物体表面三维数据中呈现出的快速、连续、自动等特点，整合多种传统的测绘技术，并将其一体化，以快速获取目标物体表面的三维点云数据。

2.1 模型重构

珲春阳光小区共有8幢楼，8幢楼设计一致，所以只需对其中一幢楼进行建模即可。每一幢楼长约65m，宽约13m，占地面积近900m2。

模型重构共分为7步，分别为点云数据导入、创建标高和轴网、创建墙族、创建门族和窗族、创建楼板、创建楼梯以及创建屋顶。经过对珲春阳光小区的模型重构，可以得到其立体三维模型，并以立面图形式观察模型姿态(图6)，与外业实体观测照片进行比对，检验其合理性和真实性。

图6 珲春市旧房三维模型各立面图

2.2 工程量统计

在CAD时代，CAD软件是无法自动计算工程量的。工程量的统计有两种方法：一种方法是需要造价预算人员根据图纸或CAD文件进行手工计算。这样既消耗大量的人力和时间，而且容易出现算量误差。第二种方法是根据施工图纸或CAD文件利用专门的工程算量软件重新建模，再由计算机自动统计工程量，如广联达软件、神机妙算软件等，但是也同样需要不断更新模型信息，才能获得有效的工程统计数据。

而Revit软件包含了建筑项目各种构件的真实工程量信息，使计算机可以快速地统计和分析工程量，并且减少了复杂的人工计算和潜在的错误。同时，软件具有“一处修改、处处更新”的功能，这样就容易使工程统计数据与设计方案的一致。

珲春旧房改造项目从结构、建筑模型的建立开始，就对现场的内外墙、门窗、楼梯等参数进行统计(表3)。在进行旧房建模时就按照各构件参数进行1∶1建模，以便在进行预算工程量统计时快速有效地按功能类别进行统计，减轻了造价预算人员在繁琐的图纸算量中耗费大量的时间和精力，从而更合理地分析材料的损耗情况和实际成本使用情况，并根据统计数据估算出模板需求量，使该项目造价预算人员可以更好地监控施工班组的实际材料及损耗数量、询价以及评估风险等工作。

表3 原外墙面积统计表 m2

改造完成后，实际工程量与原清单工程量对比，如表4所示。各项差值不大，符合项目要求，达到了预算的目的，圆满完成了工程量预算的任务。

表4 工程量对比清单

3 结语

作为一种新型工程量统计方法，基于Revit三维建模的工程量统计，不仅可以提高统计的精度和效率，增加可视化效果，而且通过构建的三维模型，可以及时地掌握旧房每一个位置的集体情况，为现场指导施工提供基础数据。此外，因测量现场施工场地狭小，建筑材料使用量大，材料堆放场地紧张的实际情况，利用模型软件在模型中提取材料信息，结合总体施工计划，统计出每个施工阶段所需的各类材料使用量，在满足施工工期节点任务的基础上，编制出各施工阶段所需材料的进场计划，根据计划提前做好材料的准备工作，及时组织材料进场，不仅缓解了现场场地狭小带来的巨大压力，也减少了材料在现场堆放过程中因储存或防护不当产生的损坏和失窃，可靠保证材料一次性到位，减少了材料的二次搬运等问题，进而达到了保证工程质量、节约材料和加快施工进度的目的。