三维激光扫描技术在建筑立面施工中的应用研究

于 雷，陈 秋

（唐山市规划建筑设计研究院，河北唐山 063000）

作为建筑工程施工的重要组成部分，测量放线结果的准确性关系后续施工作业能够顺利开展。随着测绘领域的发展，测绘技术种类不断增多，其中三维激光扫描技术具有很强的测量精度，并且非常适宜复杂环境条件下的测量，是现阶段工程建设领域广泛应用的先进测绘技术之一。特别是还具有测量便捷与效率高等优势，非常适用于建筑立面等高难度的测量实践中。

1 三维激光扫描技术的含义

作为一种实景复制技术，三维激光扫描技术本身是借助激光测距手段，通过对被测量物体表面大量离散点的相应坐标位置、纹理以及反射率等三位空间信息进行高速测量与记录的方式来讲被测物体的空间、面、体等多种类型的三维模型进行快速重构，或者完成专门制图数据测定的一种高效的测量技术。与此同时，基于测量所获取的测绘数据可以用来对有关模型或图纸进行快速还原，所以非常适应于完成某些修复类的工作。比如建筑规划领域、住宅工程建设领域、文物遗址保护及修复领域、交通事故责任认定领域、自然灾害评估领域等等，这些都可以借助三维激光技术的有效运用来确保相应的项目操作拥有可靠的测绘数据支持。

2 建筑立面施工中三维激光扫描技术的应用优势

立面施工是建筑施工的重要组成部分，也是施工难度比较大的一个施工环节，具体主要表现为立面施工涉及的施工工序对施工测量基准线的准确性具有较高要求，否则容易对整个建筑结构的竖向稳定性带来不利影响，所以在建筑立面施工过程中一个关键的施工作业环节就是要对建筑立面施工做好测量放样工作。在以往的建筑立面施工过程中，主要采用的测量方法与手段包括工程测绘方法、手工测绘方法、近景摄影测量方法等，如手工测量方法主要是借助挂齿、脚手架针等来对屋脊、墙体以及檐口等部位进行测量，以获取建筑物的高度与长度等可靠、准确的数据，或者借助免棱镜全站仪来对三维建筑物坐标进行测量，之后配合CAD软件来对建筑立面图进行绘制，以此可以实现对立面测量数据的有效测定，整体测量结果可靠性高。

相比于这些传统的测量方法，三维激光扫描技术这种先进测绘技术主要具有如下方面的突出优势及作用：①对所测目标具有比较低的要求。基于全站仪，借助反射棱镜测量坐标的方式需要在棱镜能够折射到的位置处防治被测物体，这时候如果测量人员无法所测位置处比较危险，那么就不适宜使用该种测绘技术。而三维激光扫描技术可则可以有效解决以上涉及的测量问题，可以实现不接触被测物体的状态下开展测量操作。如果测量现场不适宜人员现场测量，或者现场地势条件比较复杂，可能会存在遮挡视线的情况，那么都可以借助该种扫描测量技术来及时获取现场测量的准确数据，相应的测绘结果准确性也会大大提升；②对观测条件与环境具有比较低的要求。全站仪应用中需要借助棱镜瞄准开展作业，所以对测量环境的光亮程度要求相对比较高，但是这种全新技术可以用于全天候观测及测量；③具有比较高的测量精度。三维激光扫描技术应用下的测量定位结果精度达到毫米级，可以满足建筑立面测量工作的精度要求；④具有丰富的测量数据获取量。全站仪仅能够对有限数目的特征点的位置信息等进行测定，但是基于三维激光扫描技术的灵活应用则可以实现极高的采样速率，相应观测目标具有比较多，所以可以更加细致的描述所观测的目标。此外，鉴于建筑立面本身的工期比较紧，并且测量工作可能会对城市车辆及行人带来一定影响，这时候传统的测绘技术效率低。但是如果可以灵活应用三维激光扫描技术，那么可以快速、高效地扫描及测量建筑立面，这是传统测量技术所无法比拟的巨大应用优势。

3 三维激光扫描技术在建筑立面施工中的应用要点

3.1 采集点云数据

在应用三维激光扫描技术测量建筑立面过程中，需要严格按照“先外业，后内业”的流程开展施工测量作业。鉴于不同扫描仪具有不同的作业方式，但是它们大都需要按照整平、定向与扫描这一流程开展测量作业。在同一坐标系中拼接点云数据，可以实现批量导入数据，这样可以降低因为测量人员主观意识问题或者野外作业工作量过多等造成的作业偏差问题。而借助三维激光扫描技术测量立面中，首先需要采集点云数据，相应的要点如下：要做好建筑立面施工现场的实地勘查工作，结合现场的实际情况来科学地对扫描的各个站点进行科学布设。鉴于立面测量中不需要进行连续测量，所以这样可以降低立面测量的难度，提高其整体测量的质量与效率。而在野外立面测量实践中，可以结合三维激光扫描的角度及距离来对各个扫描的站点进行科学布设，并且一般在中心位置处进行点云数据采集点布设，力求可以更好地提高整体采集数据的可靠性与准确性。但是如果所测建筑高度有所不同，那么在引入三维激光扫描技术过程中可以借助不同梯度来对扫描的高度进行确定，并且本着循序渐进的原则来获取相应的点云数据。

基于数码设备具有比较高的分辨率，在保证测量要求满足规定要求的基础上，要注意尽可能多选一些角度来获取建筑立面数据以及纹理数据等。其中绘制建筑正立面中非常关键的数据之一是纹理数据，但是在开展野外测量过程中需要注意尽可能地展现出建筑立面特征，力求可以直观地展现出建筑物的外表特征。此外，在获取建筑立面的数据期间，还要注意构建相对比较完善的扫描测量控制网，保证其预设精度的准确性，这样才能更好地控制最终立面绘图结果的准确性，如可以设置两级布网方式作为控制网。与此同时，还需要依据拐点与楼层来对一些低层单栋建筑进行划分。而在测量那些具有高测量精度的复杂楼层信息数据过程中，可以灵活地应用精细扫描法、多次扫描法、间隔采样法等多样化的扫描手段与方法，保证可以极大地提高数据获取的准确率和效率。但是要结合实际的建筑立面施工需求，并要保证数据获取的精度满足实际的使用要求和规定。而一旦获取的建筑立面施工数据存在误差，那么会对后续的数据分析及应用带来不利影响。

3.2 处理点云数据

在获取充足及准确数据的基础上，需要及时对这些数据进行合理处理，主要要点如下：

（1）配准点云作业。需要借助专用软件来处理获取的点云数据。如果仅仅借助该种测量技术是无法对建筑立面外貌进行直观了解的，加上不同扫描站点所获取的点云数据位于不同坐标系当中，所以为了提高所获取测量数据的可靠性与精准性，要注意及进行配准点云这一基本操作。此时一般可以借助RieglVZ-400和Riscanpro软件来对所获取的点云数据开展拼接处理，可以分成粗略配准和精准配准两种情况。其中前者无法准确地确保所获得测量数据结果的准确性，厚泽则可以配合Pro软件来对点云位置进行精准确定，这样可以为后续的模型生成提供可靠、准确的数据支持。

（2）生成云模型。在点云配准之后，所测数据可以集中于同一个坐标系当中，借助去噪平滑处理来对所获取的点云数据进行有效处理，并科学构建点云模型。鉴于野外测量多在夜晚开展，扫描仪所获取的物体信息中包含有许多不需要用于点云模型构建的数据，如绿地、光照及行车等噪点。这些噪点的存在不仅会增加数据处理的难度，也会对地物特征判断准确性带来不利影响，所以要注意做好去噪处理工作来减少车流量或人等因素对测量带来干扰或其他不利影响，大大提高了野外数据采集结果的准确性。在去噪中，可以采取人工方式来进行去噪处理，并将不必要数据进行及时剔除，这样就可以在Geomagic当中输入处理后的点云数据。

3.3 绘制建筑立面图

该测量技术有比较高的数据采集精度，所以需要在保证所获取运输局精准性的基础上开展建筑立面图绘制作业。通过有机结合点云立面图和数字影像，可以准确地将建筑的外立面绘制出，尤其是可以将建筑的特征进行生动刻画与直观呈现，从而可以更加有效地展现出建筑物的整体立面情况。与此同时，由于三维激光扫描技术涉及比较大的数据量，但是CAD加载中涉及比较少的点云数据，这就需要在实际的作业实践中采取切割机简化的方式处理点云数据，并将它们录入到Geomagic软件中，在经过切割处理和简化处理之后以DXF格式输出相应的数据。然后可以借助CAD软件来绘制建筑的立面图，期间需要结合具体的建筑工程建设及施工现况，采取动态设计思路来对相应坐标进行动态化调整与合理变更，力求可以使各个断面的内容进行完整、直观地展现，这样可以大大提高了建筑立面图的绘制效果。

总之，三维激光扫描技术可以高效支撑建筑立面施工过程中相关立面数据测量，有利于极大地提高相关立面数据测量结果的准确度与效率，并且极大地降低了相应工人的劳动强度，相应的测量消耗总成本较低。但是实际的建筑立面测量实践中要注意严格按照规定的测量流程及要求等，切实做好对点云数据的采集与处理，科学地进行建筑立面图绘制几个关键的测量工作，保证最大程度提高立面测量结果的准确度。