建筑测绘中三维激光扫描技术的应用研究

周 枫 朱 丹

江苏省地质矿产局第二地质大队 江苏 常州 213022

伴随着我国市场内部建筑行业的发展，我国的城市化水平和现代化建设水平不断得到提高，城市内部的建筑工程项目整体规模和建设总量不断的扩大。在工程建设项目的施工过程中，测绘工作作为整体施工流程的重要组成部分，其工作质量和工作效率会直接影响工程项目的整体建设质量和安全性能[1]。所以，相关的施工单位必须针对施工过程的测绘工作进行严格的监督管理，提高测绘工作的整体工作质量和测绘精确度。在测绘工作的具体工作环节中，相关的测绘工作人员可以结合工程项目的具体特点和实际情况，有选择性的实施三维激光扫描技术进行建筑测绘数据的收集和处理工作，通过这种方式可以有效的弥补传统人工测绘工作的缺陷，提高测绘工作数据获取的精确度和分辨率，保障工程项目整体的建设质量和安全性能。

1 三维激光扫描技术和建筑测绘概论

传统的针对建筑物进行数据测量工作的测绘方法一般是通过使用标尺、测距仪、全站仪等常规器具对建筑物进行人工测量工作，这种落后的测绘方法不但需要浪费大量的人力资源，同时由于受制于落后的测绘技术手段，无法对建筑物进行精确的三维模型的建立，对于建筑主体中的各项数据和测量指标以及建筑物自身的结构特征都无法实现精确详细的表达，并且由于传统测绘工艺自身的技术水平限制，在进行数据测量的过程中容易对建筑物产生损伤[2]。所以为了提高建筑测绘工作的工作质量和整体的测绘技术水平，做到精确的建立三维数字化建筑模型，从而高效的进行建筑测绘工作，有关单位和部门应当结合自身的行业发展现状和特征，有选择的引入高新科技设备，例如现阶段被建筑测绘行业广泛使用的三维激光扫描仪，从而实现自身行业的技术革新。

三维激光扫描技术是近些年来测绘科学研究领域新的发展突破，是新型的科学技术测绘手段，在当前我国的测绘工作中已经实现了广泛的应用并为国内测绘行业的发展起到了重要的积极作用。三维激光扫描技术与现代高精度传感技术二者相结合，极大的增加了建筑测绘信息数据获取的精确度和分辨率，同时具有工作效率高、定点精确度高、测量范围广的特点，能够有效的解决传统人工测绘工程中存在的缺陷，有力的推动国内测绘行业的良好发展，提高了建筑行业整体的工作质量和安全可靠性，提高了工程项目规划设计方案的科学性和规范性[3]。

2 三维激光扫描技术的技术原理和应用优势

2.1 三维激光扫描技术的应用技术原理

三维激光扫描技术又被称为三维实景复制技术，在实际的工作流程中，需要使用激光扫描设备对需要检测的区域进行实景扫描获取数据，并依据获取的数据对实际场景进行数字化建模，一般情况下设备可以收集到的数据包括被检测区域的环境要素信息、检测控制点位信息、被测建筑物体表面的光照反射强度等。数据通过对颜色信息的收集，构建出三维空间点云数据模型，可以针对被扫描的建筑物体的环境、建筑主体、内部结构等部分区域进行实际的数据绘制和研究工作。

目前国内的测绘行业中，三维激光扫描技术的主要应用领域是被测建筑物主体建立三维坐标系来进行测绘工作，在确定被测物体精确的三维坐标后，主要的数据信息包括距离、扫描、方位、角位移等信息。通过对这些数据的精确获取可以有效的保证测绘工作的工作质量。

（1）在遥感测绘工作环节，通常是利用三维激光技术对被测建筑物的主体进行遥感测绘分析工作。常用的测绘方法主要有相位测量法、脉冲测量法、三角剖分法三种。在以上的各种遥感测绘方法中，最常使用的就是相位测量法。通过使用相位测量法进行遥感测绘工作，可以有效的实现对光学信号的被测距离进行分析和计算，从而形成相对差值的调制工作，并依据实际的测量数据和计算结果，确定被测距离随时间变化的具体形态信息。这类测量方式在一些对数据精密度要求较高的领域经常应用，例如医学领域[4]。而三角剖分法在测量距离的分析过程中主要是要通过对几何学的应用，对测量数据的几何关系进行计算和分析实现对被测物体距离数据的准确测绘，这种三角剖分法在近距离的测量工作中被广泛的应用。最后是脉冲测量法，通过脉冲的发射和接受形成时差获得距离测量数据，并针对测量数据进行分析和计算进行遥感测绘工作，这种脉冲测量法被广泛的应用在三维激光扫描设备。

（2）在角位移的数据测量工作以及对数据的分析和计算，角位移测量数据是三维激光扫描数据的关键测量要素。在实际的数据测量和分析工作环节，需要针对线性位移数据和角位移数据两种不同的数据进行测量。针对直线位移数据的测量工作，通常会用到CDD设备、直角棱镜、激光发生器等设备进行组合形成系统性的测量规划，对被测物体的直线位移数据进行精准的测量和分析。而对于角位移数据的测量和分析工作，需要对被测物体的角位移幅度数值进行测量和分析，针对数据的分析和计算结果得到步距角等数据，从而获取对角位移数据的实际数值。

（3）三维激光扫描技术从本质上来讲，是对被测建筑物主体扫描和定向的技术。其中，扫描是为了获取被测建筑物主体的空间坐标精确数据，也是三维激光扫描的重要环节。通过设备向被测建筑物主体发射激光进行扫描，根据激光的发射和接收时的差值也就是激光的具体往返时间以及相位差值进行测量和计算工作，获取精确的距离数据。在对被测建筑物主体进行扫描的时候，由扫描测量系统的内部时钟对设备的编码器进行控制，从而精确的测量纵向和横向的角度值，保证获取数据的准确性。并通过使用相关的计算公式，对被测点位的三维空间坐标系和位置坐标进行计算工作，从而获取被测点位的三维空间坐标值。在对被测物体进行定向操作的工作环节，需要将获取的扫描坐标系数据转换成大地坐标系，从而计算出被测建筑物主体的方向识别标志的具体中心坐标，从而实现支持坐标公共点的转换工作。通过对坐标系和转换应用系数的使用，可以精确的获取被测物体的各种测绘数据[5]。

2.2 三维激光扫描技术的应用优势

相较于传统的测绘技术，三维激光扫描技术更具有现代化的发展意义，通过使用先进的三维激光扫描仪可以实现建筑物测绘工作全流程的自动化运行，并且通过这种方式获取的数据精确度和分辨率都得到了极大的提升，对测量数据的矫正工作等环节，相较于传统的建筑测绘技术而言受到的时间和空间的约束限制更小，技术的适应性能更加强大。目前，三维激光扫描仪主要采用非接触式的扫描技术对被测建筑物进行测绘工作，这种技术不依靠反射棱镜的使用，可以直接对被测量建筑物的数据采集目标进行三维立体式的激光扫描工作，从而获取需要的建筑测量数据，并且数据采集工作的全流程都可以由三维激光扫描仪自动完成，不需要人工参与[6]。另外，在实际的测绘工作中使用三维激光扫描仪进行测绘，可以有选择性的超出既定测绘范围，从而有效保证测量工作获取数据的完整性和可参考性，有效避免了传统建筑测绘技术受限于空间条件而无法保证数据全面性和完整性的缺陷。在进行相关的数据扫描工作的过程中，相关的工作人员不需要对测量范围进行草图绘制工作或者针对测量范围进行规划测量，只需要在整体的测绘工作流程中做好三维激光扫描仪的部署与设置工作，安排好整体的工作方案就可以由仪器自行完成数据的测量、获取、收集、计算、分析、上传等工作，极大的提高了测绘工作的工作效率和工作质量。

在测绘工作的三维激光扫描仪具体使用过程中，可以利用其自身的扫描光束针对设备的激光发射信号进行检查工作，确认激光的发射信号是否可以正常的获取被测建筑物的位置信息。这样可以保证整体的激光扫描工作不会受到周围环境和其他建筑物的阻挡和约束，有效提高三维激光扫描的数据获取速度和精确度，实现对被测物体和建筑物主体的高密度激光扫描和数据采集工作，提高测量数据的整体分辨率和精确度，减少测量过程中的数据遗漏的情况发生。

3 建筑测绘工作中三维激光扫描技术的具体应用策略

3.1 建筑测绘工作的具体工作流程

在建筑测绘工作中引入三维激光扫描技术的应用，可以显著提高建筑测绘工作的工作质量和工作效率。目前国内建筑测绘工作主要分为前期准备阶段、外部施工环境数据的采集阶段以及针对采集数据的内部综合处理阶段，直到生成最终的测绘工作成果。首先，在建筑测绘工作的前期准备阶段，需要针对工程建设项目的基本情况和规划方案进行必要的分析和了解，对项目的实际建设情况做到全面的掌握。并针对实际的建设情况分析测绘工作可能会遇到的困难和难点以及具体的需要，结合施工现场的具体特点作出综合的考量，确定建筑测绘工作的整体工作规划、测绘工作路线、技术人员的配置和需要使用的各种专业设备和仪器，为正式的建筑测绘工作奠定扎实的工作基础。在针对现场数据进行数字化构建的工作环节，相关的测绘工作人员应当确定测量现场的具体位置信息以及相关的数字化构建工作的参数依据，通过使用三维激光扫描仪对被测物体和建筑物主体进行整体的扫描测量工作。

3.2 建筑测绘工作中的外业数据收集环节

在实际的三维激光扫描技术的应用过程中，针对施工现场进行的数据采集工作质量和数据的准确度会直接影响最终的三维建模工作成果，其中最主要的影响因素就是人的影响因素。在针对施工现场进行数据采集的工作环节，在采用先进测量技术的基础之上，相关的测绘工作人员可以有选择的增加测量工作的灵活机制，从而减少测量设备与被测物体之间的距离。测绘点的云数据拼接工作是整体测绘数据处理阶段的关键环节和工作难点，在测量工作的进行过程中，需要保证各个测量站的前后之间有30%左右的重叠区域，从而保证每一个既定的测绘点位之间形成完整的测绘平面。位于中心点的测量目标可以设置在邻近的测绘点位周围，为后续的测绘点位设置工作提供参考依据。而三维激光扫描仪的扫描参数设置和测绘点云数据拼接的质量有着密切的关联，因为激光扫描的点位频率参数具体设置将直接影响被测目标的识别距离和测绘点云数据拼接的精准度。在测量工作中，需要使用不同的三维激光测量评价率对数据进行多次的实验对比和分析工作。

3.3 测绘站点的设置工作

在三维激光扫描技术的实际操作过程中，需要针对扫描收集的数据信息和测绘站点接收到的数据进行对比分析，所以在测绘站点的位置确定工作环节，需要全面的考虑现场周围的地形因素，将测绘站点主要设置在高地或者视野宽广的地区进行设立，这样可以有效保证整体的测量工作不会受到地形的阻碍和影响。对于被测区域也可以实行控制点位的设置，然后将测绘站点设置在控制点之上，并对控制点位进行整平，由于在三维激光扫描技术的实施过程中，涉及到的坐标系点位都是相互独立的，所以对于测绘站点的设置要保证其位于激光的行进路线上，激光扫描过程中数据可以在不同的测绘站点之间进行相互的传播，做到全面且完整的数据收集，避免数据获取混乱的情况发生。

3.4 测绘工作的正式工作环节

在保证测绘点位的合理布置基础之上，需要对站标和仪器进行架台和设置工作，这样才能使用三维激光扫描技术对被测物体和区域进行扫描作业。在保证前期准备工作完备的基础上，三维激光扫描技术在每一站的扫描过程需要约四分钟，同时，在激光扫描的过程中为了进一步提高数据测量的工作质量，保证测量数据获取的准确性，可以在锁车的区域开启外置全球定位系统，保证整体的坐标系统可以满足激光扫描的需求。在激光扫描工作阶段结束后，如果获取的数据未能达到规划要求，或者整体数据信息存在着明显的缺陷和漏洞，可以针对部分有缺陷的区域重新进行激光扫描，保证数据获取的完整度和精确度。另外，在整个三维激光扫描阶段，也可以通过使用棱镜全站仪，防止被测物体或区域周围的建筑物或者其他因素对测量过程产生不利影响，进一步提高数据获取的整体质量。同时，在控制点位的附近范围，可以设置十字靶心，保证数据测量结果整体的统一性和均匀性，避免出现被测区域扫描不全的情况发生。

4 结束语

综上所述，在建筑测绘领域应用三维激光扫描技术，可以实现对建筑物主体测绘工作的整体工作质量的提升，通过对测绘图点的定位工作，可以在短时间内采集到大量的测绘图点的建筑物参数信息。由于三维激光扫描技术本身的先进性和科学性，可以对测绘数据的实际测量距离和角度数据进行实施的数据采集工作，同时保证数据获取的精确度和分辨率，相较于传统人工的建筑测绘工作，其测绘数据的可靠性和参考价值得到了极大的提升，为工程项目的设计规划人员和建设施工人员提供了更为精确的施工坐标系数，可以有效的优化整体的测绘工作效果，为工程项目的整体建设质量和安全性能奠定了坚实的数据基础。