三维激光扫描技术在房产测量中的运用研究

胡晓丽 北京龙泰经纬测绘有限公司

1 三维激光扫描测量

1.1 三维激光扫描测量系统简介

3D 激光扫描技术是20 世纪90 年代的高速定位技术，属于GPS技术的一部分，是全自动、高精度的立体扫描技术。借助新技术，3D 激光扫描技术定位精度高，自动化程度高、点云采集速度快、全天候运行、兼容性强、软件功能齐全。该技术收集大量3D点，然后快速处理和形成目标对象的3D 模型。同时，可以快速复制各种几何数据，如对象的线条、冲浪、框架等。因此，3D激光扫描技术也被称为“实时场景复制技术”。

3D激光扫描技术是结合各种技术获得空间数据的新方法。由激光扫描模块、图像收集模块、导航定位模块、控制平台、电源模块等附件构成。从3D激光扫描仪测量系统得到的原始数据被称为点组数据。不是单个点，目标物体表面上的点云可以同时扫描和收集。目前，三维激光扫描技术是一种快速发展的新技术，越来越多地应用于测量和绘图领域。

1.2 三维激光扫描测量原理

3D 激光扫描测量是非棱镜和非接触测量方法，可以迅速提供接地物体的空间位置，它的出现给其他测定方法带来了很大的挑战。测量系统的特点广泛应用于复杂恶劣的环境，深受许多测量和测量研究人员的喜爱。不同扫描系统的测量原理几乎相同，但定位过程不同。操作原理如下：首先，系统内部的GPS装置精确定位系统载波，IMU的第一个目标是获得操作员的原始位置处的准确坐标和位置。第二，激光脉冲发射激光信号并发射被测物体。在反射之后，接收器接收部分反射的激光脉冲信号。记录器捕捉被摄体相对于激光扫描仪的角度和距离来记录。同时，扫描系统的内置设备GNSS和IMU被转换成可直接识别和处理的数据。使用激光脉冲连续扫描目标物体，最后通过数据融合获得目标物体的精确三维点组数据。获取的点组数据在办公室中加以处理，创建目标对象的3D模型。

2 三维激光扫描测量技术分析

三维激光扫描测量技术的出现和发展，为获取空间三维信息提供了全新的技术途径，也为测量信息的数字化发展提供了必要的生存条件。该系统的出现引发了现代测量技术的新革命，引起了相关行业研究人员的广泛关注。同时，研究方向和重点是激光扫描测量的定位方法和办公数据处理的研究。三维激光扫描测量系统克服了传统测量技术的局限性，关键技术在于在野外数据采集中集成多种定位方法获取点云，在办公数据处理中利用精确的点云配准方法构建高精度的三维点云模型。

2.1 融合定位

3D激光扫描测量系统不仅突破了传统测量方法的单点定位的极限，而且通过各种定位方法的集成解决了不同场景中卫星信号强度的问题。三维激光扫描系统配备GNSS 和IMU 定位系统，支持SLAM 算法等综合定位技术，融合定位技术的主要任务是内外连续定位。在以往的单点定位方式中，无论GNSS定位、IMU惯性导航定位、Slam技术如何，都不能无死角地实现长期的室内外定位。在露天点组数据收集中，融合定位是三维激光扫描系统的重要技术，可以解决不同场景中定位精度和长期定位的困难，并且数据精度和时间可以显著提高效率。

2.2 点云配准

点云配准不仅是业界处理点云数据的第一步，也是决定点云模型精度的重要步骤。由于扫描区域大、特征多、环境复杂，必须使用算法对每个扫描获得的大量点云数据进行整合和注册。因此，点组对准是所有后续处理的基础，对准的准确性直接影响点组模型的精度。

3 三维激光扫描权籍测量优缺点分析

三维激光扫描技术在农村所有制研究中的应用，不仅可以减少野外研究对人力物力的需求，还可以充分满足技术法规对数据准确性的要求，缩短工作周期，提高所有制研究的效率，为探索农村房地产提供了一种新的技术方法。这个技术有以下优点。

（1）运营效率高。3D 激光扫描测量系统的数据收集速度非常快。在点组数据中生成多个点，并使用相关的处理软件在对象的3D实际场景模型中快速构建点组数据。

（2）定位方式不同，精度高。3D激光扫描测量系统的配置相对特殊。GNSS 天线和IMU 惯性导航系统安装在能够同时接收GPS、GLONASS、伽利略、北斗等卫星信号、支持北斗信号解决方案的系统中。

（3）收集多边形数据。根据三维激光扫描测量系统的配置特性，在水平方向上有350°的高速扫描，在垂直方向上有90°～270°的高速扫描。

当然，三维激光扫描测量系统也存在以下几个方面的短板问题。

（1）设备昂贵。3D 激光扫描系统是非常昂贵的硬件和软件，使用系统时，必须保证设备的安全性。

（2）操作技术难度高。根据上述三维激光扫描测量系统的操作流程，该方法复杂而详细，并且对测量者有高技术要求。

（3）数据量多，对设备性能要求高。3D激光扫描测量系统使用高清晰度照相机收集表面点组数据，并收集纹理图像。激光头每秒收集60 万个3D 点组数据和高清像素进行拍摄，随着扫描区域的增加，数据量也增加。另外，系统下载的数据很难共享，只能用专业软件处理。为了生成数字结果，对大数据处理和设备构成的要求高。

4 三维激光测量技术在建设工程施工阶段中的应用

4.1 某市金融大厦钢结构项目概况

该项目位于万达广场以东的国际贸易和金融中心，毗邻湿地公园，地理优越，总高度138m，由两个记录塔组成。顶层有空气通道，形成了“门”形状的建筑。其中，南北两栋26～30层的超高级甲级办公楼采用统一钢结构的整体设计，上部有空中城的走廊，所以正确的设置很重要。廊，停止升降机，静置24h。

第二，24h 后，检查各点临时措施是否正常。确认后，继续总同步升级。

第三，将钢廊提升到设计高度以下约200mm，降低泵站频率，降低升降速度，使网格位置正确。

第四，安装主帧的嵌入部件，焊接对应的位置，实体化钢廊的主框架和两侧的交叉支撑结构，将上层结构和滑动支撑焊接在固定钢廊上。

4.2 数据采集技术路线

建筑激光扫描点云数据取得主要包括以下步骤。

第一步，根据施工现场的地形特征临时确定测定系统，通过施工现场的测定取得扫描的施工现场。另外，还需要调查是否从一个地方得到有关特征的完整信息。

第二步，确保扫描参数（例如扫描精度和三脚架扫描距离）与实际扫描位置对准。

第三步，开始扫描，直到所有站点扫描为止。

4.2.1 现场调查

国贸大厦走廊钢结构为长42m、宽26m、高25m的立方体结构，26 座记录塔，地板有四个角，一共有八个角。

4.2.2 数据采集

不管国际贸易大厦的走廊结构能否正确焊接，最重要的是要获得大楼物理空间的准确位置信息。进程如下：（1）根据场所的地形和地形合理设计扫描场所；（2）是否需要多个网站；（3）必须多次架站靶球；（4）直接加战；（5）根据位置条件设定扫描参数；（6）扫描；（7）取下仪器。

4.3 内业数据处理

4.3.1 二维线划图的勾勒

首先，使用Farsecene 软件预处理高层建筑中的激光点组数据。导入原始数据，根据野外作业中的目标球的垂直位置，在设计中发现目标球，进行拼接、降低噪声，并根据其导出所需的顶层数据、底部钢结构数据、悬挂通道挠度数据。接着，使用HD⁃Modelling 处理点组数据，从公寓的角点提取线数据和位置数据。

将字段云数据导入HDMV，重新定义新的点组坐标系。由于高楼大厦走廊的墙壁、垂直的墙壁和车站的下面与该平面一致，所以建筑物的坐标原点和空间坐标系由3 个共线决定，点组数据用HDModel⁃ling软件进行渲染，从而后续的高距离图和测量站的数据收集更准确可靠。

另外，HDModelling 软件中，通过指定左视图，可以获得北部建筑上部车站的原始点群数据。然后，使用2D线绘制指令，可以提取南北2层上部的轮廓，在南北2层的立面上标记各站的左右距离和高度。

用HDModelling 软件从高楼大厦提取数据，不仅南北建筑的高度，还可获得两层各对角线的位置。南部建筑的左上角为1，下角为2，收集的角数据为中心。

4.3.2 获取钢廊道的挠度

如图1所示，通过三维激光扫描获得的钢结构所有点组数据，包括走廊的钢结构、四层空间结构和上层结构数据，并为后期走廊的正确焊接提供数据保障。接下来，通过扫描整个国际贸易大厦，获得了整个点组数据，这也为进一步的建模和模拟分析提供了良好的基础。

图1 钢结构全部点云数据

通过在整个走廊预计器中获得的点组，可以从点组数据精确地获得挠性变形。最后，走廊最大挠度集中在结构中心，最大值7.3mm，满足施工吊付标准，走廊钢结构的刚性和强度满足要求，具有良好的稳定性。

4.3.3 成果分析

使用3D激光扫描仪从各种建筑物收集数据具有高速、高精度和低风险的优点。这次可以从国际贸易金融中心，南北走廊，南北大楼的高距离数据中调查3D 激光器的高速扫描结果。同时，国际贸易和金融中心南北建筑的一角是钢结构正确安装的基础，南北方向建筑物的转角对应钢结构和走廊很重要。从3D激光扫描和测量站数据的比较中，发现3D激光器具有高精度，完全满足了施工和悬挂的要求。同时，为建设部门的具体实施提供高质量保障的信息。与传统的全局测量结果相比，点云数据可以提供钢结构的挠度数据，是否达到了一定的稳定性，是否满足了全局测量测定所不能得到的建筑基准的要求。此外，获得的激光多云数据还为钢结构模型的重构提供了原始数据，提供了分析不同风环境下模型变形的依据，确保了钢结构的稳定性。

4.4 成果总结

通过ITC 金融中心的高空钢结构走廊吊挂和连接成型测量项目，充分体现了三维激光测量技术在钢结构吊挂阶段起到很大的辅助作用，比传统测量更出色。

这个可以从三个优点分析。（1）数据精度高。空间几何数据的结构误差很小，根据不同观测区域的要求，精度可以达到毫米级。（2）运用效率高。使用3D 激光测量技术获得了几何信息，大大提高了工作效率。3D激光测量技术可以快速、高效、无接触地实现除了常规测量仪器之外，难以人工到达的地理位置和局部位置。另外，使用3D 激光测量技术的数据收集，可以不受照明时间的影响而在昼夜进行。（3）强大的数据可靠性。3D激光测量技术拒绝了对人眼焦点的观察，并且防止了由于用户准备长时间观察而引起的误差。

5 结束语

本文以我市国际贸易金融建筑钢结构悬挂研究项目Farsece、CAD2013 HDModelling for cad 2013、Autodesk 3dsmax2012 等软件为例，实现了点群数据连接、数据表达、数据截断和抽取等一系列功能。数据整理分析、立面图绘制、三维建模效果显示等，最终制作适合建筑工程的二维和三维数字化产品，实现建筑工程的三维数据结果。简而言之，这次设计的目的是通过将地面的三维激光测量技术，应用于建筑工程管理来说明其优越性和应用方法，详细展示建筑工程各阶段点群数据所需的数据和结果，协助各种软件的完成和改造。