三维激光扫描在旧建筑物改造中的应用

三位激光扫描在旧建筑物改造中的应用

令狐采学

摘要：本文提出将三位激光扫描技术应用于旧建筑物改造过程中；三位激光扫描技术能够快速、高效、高精度的获取测量目标的表面三维数据，进而快速、高效的获取旧建筑物的高精度平面、立面、剖面图，为旧建筑物改造设计、工程量计算、造价等提供基础。结合工程实例，分析总结三维激光扫描在旧建筑物改造中应用的一般流程和点云数据处理方法。

关键词：三维激光扫描；旧建筑物改造；点云；

1引言

随着时间的推移，许多旧办公楼出现了不同程度的饰面老化，设施落后、屋面漏水等问题。同时随着信息产业的发展，智能化水平的不断提高，办公方式也发生了翻天覆地的变化，老旧办公建筑的空间布局与现代办公的需要显得格格不入，以至于不能很好的满足现代办公的需求所以一些职能部门办公楼的硬件设施亟需重新建设。

在这种情况下，大部分地区对这些办公楼采取的措施就是简单的拆除重建，不仅造成了环境污染，同时也造成了巨大的资源浪费。随着人们生对环境污染认识的提高和资源危机意识的增强，社会上对旧建筑再利用的呼声也日益高涨，有计划的对旧建筑进行适应性改造及再利用是大势所趋，而平面图，立面图和剖面图是旧建筑改造的根本。平、立、剖面图可以为建筑物改造重新设计，制定改造方案，改造工程量初步计算等提供依据。传统的绘制建筑物平立剖面图的方法有如下几种：一是用皮尺量取建筑物长度，层高等建筑结构相对几何关系进行绘制，这种方法投入的仪器设备少，不受场地影响，但所获得的测量数据少，人工费用高，精度低，效率低。二采用全站仪获取建筑物三维坐标，配合野外绘制的草图并使用相机拍摄图片然后进行绘制。这种方法投入设备多，人员多，工作量大且在人流量、车流量大的地区

不易测量，存在一定的人员安全风险。地面三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度的立体扫描技术。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描能够提供扫描物体表面的三维点云数据，实现实体真实、完整和精确的三维复制，为快速获取建筑物平面图、立面图和剖面图数据提供了一种全新的技术手段。

2 三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。以Riegl VZ-400三维激光扫描仪为例，该扫描仪是以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向则以伺服马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。

地面型三维激光扫描系统工作原理：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P 与扫描仪距离S ，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X 轴在横向扫描面内，Y 轴在横向扫描面内与X 轴垂直，Z 轴与横向扫描面垂直。获得P 的坐标。

图1 扫描点坐标计算原理图 图2 地面激光扫描仪测量的基本原理

cos sin P Y S βα=（1）

3 外业扫描

三维激光扫描应用于旧建筑物改造过程中的作业流程，如图3所示。

图3三维激光扫描作业流程

3.1外业踏勘

为了对实际工程进一步的了解，更为了制定有效可行的技术实施方案，必须对实地建筑及周边环境进行踏勘巡视，根据建筑物的高度、扫描仪的仰角及扫描仪的扫描距离和遮挡情况确定扫描位置。由于建筑物内部结构复杂，对建筑物内部踏勘也是非常重要的。在踏勘过程中，应了解实地建筑具体构型，查看建筑物周边环境形态，根据目标建筑物的实际情况及项目的要求。初步制定三维激光扫描路线，合理拟定布设扫描站点。

3.2 点云数据采集

建筑物平面、立面、剖面图不要求绝对坐标，所以不需要与控制网进行联测。但对建筑物结构的相对距离要求较高。在具体从某一方向对目标进行扫描时，测站布设要保证两两测站之间至少有15%～30%的重叠，便于后续内业点云匹配，建筑物外立面扫描时测站间距最好保持在50m～100m，每测站距建筑物距离不应太大，控制在100m左右，保证精度；注意扫描作业时，应确保所选择的测站能完全覆盖测区范围测站需要且将建筑物包围。建筑物内部扫描时，由于建筑物内部结构复杂且内部结构相似需采用标靶球，摆设标靶球时注意在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶球，便于后期点云配准。

由于常规的建筑在结构上具有对称性，门窗结构的尺寸的统一性，而照片可以确定建筑的总体样式，门窗之间的拓扑关系细节照片能够显示建筑附属物相关信息，因此为了后期绘图方便，在对建筑物扫描的同时也用高清数码相机对建筑物进行拍照。

4 数据处理及成果图绘制

4.1点云配准

在对建筑物内部进行扫描时，由于建筑物内部结构复杂，一站扫描不可能获取一层建筑物的全部信息，而不同扫描站获得的点云分别存在于各自的测站坐标系，因此需要将各个测站的测站坐标配准到统一的坐标系中。同样对建筑物外立面扫描时以一站扫描也无法获取目标建筑物的全貌，也需要将各个测站的局部坐标配准到统一的坐标系中。点云配准一般分粗配准和精配准。首先是粗配准，粗配准是基于两站建筑物几何特征（或标靶球）的配准，选取两站的至少三对同名点，以匹配点对的几何特征为依据，计算刚体变换矩阵，进而完成粗配准。粗配准只是将多个局部坐标系的点云大致地对齐到同一个坐标系中，精度不高。粗配准结束，采用ICP最近点迭代算法精确配准，提高配准精度。

4.2成果图绘制

（1）平面图绘制

用三维量测方法绘制平面图。该方法是作业人员在三维点云数据处理软件中以立体观测模式选取点、面，然后进行立体模式特征点提取并进行测量，在量测中，同一采集尺寸测量3次，每次测量的误差小于0.4cm，取3次平均值作为量测数据。三维量测作业模式如图4所示。根据测量结果在天正软件中进行绘图。首先绘制墙体，勾画出建筑平面尺寸，平面尺寸需与外立面的尺寸统一，然后根据门窗在外立面图上的位置，绘制不同层平面图，并根据建筑的实际情况，绘制墙体轴线并标注。

图4三维量测作业模式

（2）立面图绘制

用制作切片投影描图方法绘制外立面图。该方法首先对点云数据分割和抽稀制作切片，然后进行投影，以DXF格式导出，并导入到AutoCAD中进行描图。