（北方工業(yè)大學建筑與藝術學院，北京 100144）

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，其工作原理是由內(nèi)部的激光發(fā)射器發(fā)射激光，經(jīng)過垂直反射鏡和水平反射鏡折射射向目標，激光反射回來的被掃描儀接收，內(nèi)部的距離測量模塊可以測量反射時間和激光強度，再通過S=1/2ct（c為光速，t為時間）得到目標點與掃描儀之間的距離，同時各傳感器會記錄激光發(fā)射的角度θ，再利用極坐標系與笛卡爾坐標系之間的相互轉(zhuǎn)換關系計算出目標點的X，Y，Z坐標，從而得到大量帶有三維坐標和反射率信息的點，并經(jīng)過內(nèi)部軟件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建被測物體的數(shù)字化模型。相較于傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)采集方式，三維激光掃描技術更加便捷高效，在建筑數(shù)字化領域得到了廣泛的應用。

1 三維激光掃描流程

三維激光掃描技術誕生于上世紀九十年代，此前人們對于空間數(shù)據(jù)的獲取方法是離散單點采集坐標法或用二維的光學攝影獲取圖像數(shù)據(jù)。前者對器材、場地要求較高，且工作繁瑣，效率低下，后者存在器件固有誤差、景深不足，實物表面需要預處理等問題。兩者都無法給空間信息科學提供足夠的采樣量，難以準確表達對象的真實狀況。現(xiàn)今三維激光掃描技術作為一項成熟的技術，已被廣泛使用（圖1）。

三維激光掃描儀主要由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器、旋轉(zhuǎn)濾光鏡、集成控制電路、CPU（中央處理器）、CCD（電荷耦合元件）及相關圖像轉(zhuǎn)換軟件等組成。其工作時，最高測量速度可達50000～1200000點/秒，可通過非接觸的測量方式，來獲取地形或復雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，進而通過后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理分析，轉(zhuǎn)換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標，并可建立復雜結(jié)構(gòu)及不規(guī)則形狀的實體三維可視化模型。相較于過去逐個測量每個點，該方法可在瞬間發(fā)射百萬束激光并同時進行分析，效率大大提升。

圖1 三維激光掃描技術原理

三維激光技術按激光類型分，可分為相位式和脈沖式兩類。其工作原理的主要區(qū)別：相位式掃描儀是根據(jù)反射回來的激光相位差來計算距離，脈沖式掃描儀是根據(jù)反射光線的時間差來計算?；诖瞬煌辔皇饺S掃描儀相較于脈沖式掃描儀，掃描速度快，掃描精度高，但對于長距離的掃描，會受到空氣中的電磁波干擾，從而對精度有較大影響，所以它掃描距離較短，大約在一百多米，脈沖式與之相反，多用于長距離的掃描，受干擾幅度小，最遠可達千米。實際測量中需要對現(xiàn)場測量狀況進行即時評估，采用適宜類型的掃描儀，才能真正發(fā)揮其最大優(yōu)勢。

三維激光掃描儀作業(yè)流程可概括為前期工作準備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)加工、點云后期應用四個階段。前期工作準備階段是進行實地踏勘并制定詳細掃描方案，然后根據(jù)方案設置掃描站點數(shù)量、位置等，盡可能減少站點數(shù)量，保證測量精度的前提下提高效率。然后是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，按照前期制定的工作方案，采集相關點云數(shù)據(jù)，采集完成后如發(fā)現(xiàn)問題數(shù)據(jù)需及時修正。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段，需要用相關圖像轉(zhuǎn)換軟件（如VXelements、Geomagic等）對點云數(shù)據(jù)進行抽析、拼接、優(yōu)化。點云是包含了物體三維坐標值、色彩信息的數(shù)據(jù)，優(yōu)化過程包括點云數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)簡化、點云數(shù)據(jù)上色等步驟，優(yōu)化后得到可用的精確點云數(shù)據(jù)。最后一步點云后期應用是指基于原始點云數(shù)據(jù)，通過使用相關模型制作軟件進行模型封裝，從而構(gòu)建建筑模型、輸出建筑圖紙等。

2 三維激光掃描在建筑數(shù)字化的應用領域

2.1 建筑制圖

利用三維激光掃描可獲得對象的點云數(shù)據(jù)，目前主要有兩種用點云數(shù)據(jù)制圖的方法，第一種是根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成正射影像，再根據(jù)正射影像繪制建筑平立剖面圖。其過程是先利用三維激光掃描技術獲取數(shù)據(jù)，再用算法優(yōu)化點云數(shù)據(jù)，最后根據(jù)算法生成正射影像。這樣計算出的數(shù)據(jù)包含每個掃描位置的空間數(shù)據(jù)，如紋理，顏色、反射率等，可用于含有復雜表面花紋的建筑以及壁畫、雕塑等，將它們的空間數(shù)據(jù)保存。同時這種方法還能利用模型生成較精致的建筑立面圖，相比于攝影，其排除了透視誤差，擁有更高的精度。圖2所示為三維激光掃描技術在山西某古建筑數(shù)字化采集工作中的應用實例。

圖2 歷史建筑數(shù)字化模型

第二種方式是將點云數(shù)據(jù)進行“薄片化”處理，并運用CAD軟件將“點云薄片”生成二維線條圖形，從而可繪制建筑的平、立、剖面圖。需注意的是，該方法需將云密度控制在合理范圍，從而兼顧圖形的精細度和計算機硬件的負載情況。因此，相較于第一種方法，該方法數(shù)據(jù)處理速度更快速，操作更簡便，但圖像精度方面略遜一籌，不適合繪制壁畫、彩繪、雕塑等復雜形體和構(gòu)圖的精細化圖樣，僅適合繪制線型應用不復雜的建筑正視圖。

2.2 古建筑資料存檔

我國的歷史建筑在世界上獨一無二且極具特色，但隨著自然侵蝕和人為破壞等，已有大量古建筑隨著時間而消失，這將是文化遺產(chǎn)研究方面的一大損失，為了保護這些建筑，可利用三維激光掃描技術將其空間數(shù)據(jù)收集，建立檔案，以方便未來的修復和重建。成熟的三維激光掃描技術能很好地解決這一難題，三維激光掃描技術的數(shù)據(jù)采集效率，測量精度方面遠超傳統(tǒng)方式，并且它屬于無接觸測量，相比于傳統(tǒng)方法能更好地保護脆弱的歷史建筑。圖3所示為某歷史建筑的采用三維激光掃描技術生成的點云立面圖信息。

圖3 歷史建筑的點云立面圖

2.3 構(gòu)建數(shù)字實體模型

隨著信息化工程和BIM的發(fā)展，如今需要一種精確的方法檢測施工質(zhì)量和施工精度，從而減少施工時間和保證建筑的安全性。三維激光掃描技術很好地承擔了這一任務，其能夠?qū)?shù)字模型與實際工程聯(lián)系起來，即時再現(xiàn)施工現(xiàn)場。其利用點云數(shù)據(jù)進行處理，形成BIM模型，方便檢測建筑成果質(zhì)量。其中在特異性建筑中該技術優(yōu)勢明顯，如對管道支架的檢測。管道支架是軸向骨架，由若干組管道支架（間距1.5～2.5 m 不等）組成，根據(jù)使用功能呈現(xiàn)各種復雜、彎曲的造型，且其規(guī)定管道平整度要求優(yōu)于±5 mm。由于空間變化豐富，對尺寸精度要求較高，且管道是具有一定厚度的鋼結(jié)構(gòu)，因此在管道支架生產(chǎn)加工時，需要對加工精度進行檢測以控制誤差。采用傳統(tǒng)測量方式工作量大，可靠性低，而三維激光技術可快速對每一根管道進行掃描，得到點云數(shù)據(jù)，建立編號，構(gòu)建三維模型，再利用施工圖紙建造管道模型，將兩個模型進行空間數(shù)據(jù)匹配，成彩色對比圖和偏差數(shù)據(jù)，做出偏差報告，從而解決問題和錯誤。該方法不但提高了測量準確度，減少了工作量，而且保證了管道支架的生產(chǎn)精度滿足設計規(guī)范要求。圖4所示為利用三維激光管道數(shù)字化建模。

圖4 三維激光管道數(shù)字化建模

2.4 建筑變形分析

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法是基于固定有限的觀測點進行監(jiān)測，利用專用儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進行持續(xù)觀測、對變形體變形形態(tài)進行分析和對變形體變形的發(fā)展態(tài)勢進行預測等的各項工作，其只能反映建筑的局部形變情況，而三維激光掃描技術作為測繪領域的一次重大技術變革，打破了傳統(tǒng)的接觸式測量模式。傳統(tǒng)的測量方式是在建筑的特征部位埋設變形監(jiān)測點，同時在建筑上設置檢測標志，定期比較檢測標志與基準點之間的變形量，這種檢測方式需要合理設置觀測標志和基準點，難以完整客觀地反映建筑變形，而對于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑這種測量方式更加難以呈現(xiàn)建筑微小部位的變形，三維激光掃描儀能夠快速、便捷地對建筑物進行全方位的測量，通過收集和比較不同時間點的建筑三維點云數(shù)據(jù)，不需接觸建筑就可以反映建筑的微小變形。

2.5 建筑設計與3D打印

3D打印技術是根據(jù)數(shù)字模型分層打印的技術，它實現(xiàn)了從設計藍圖到三維模型的轉(zhuǎn)化，該技術可與三維激光掃描技術完美銜接。具體操作中，可以使用三維激光掃描技術構(gòu)建數(shù)字模型，再利用3D打印技術將數(shù)字模型實體化，方便展示與參考。可以預見的是，這兩項技術的結(jié)合必定會為建筑設計提供一種全新的設計思路。

3 結(jié)論

三維激光掃描技術打破了傳統(tǒng)單點測量的方式，通過高效便捷的技術方法記錄建（構(gòu)）筑物的外觀、結(jié)構(gòu)、色彩、紋理等信息，對測量的對象進行實景復制，并可建立數(shù)字化信息模型。該技術不僅能減少測量工作量，降低測量成本，而且可以利用點云數(shù)據(jù)制作CAD建筑圖紙、制作BIM模型和3D打印模型。相信隨著三維激光掃描技術的發(fā)展和制造成本的降低，數(shù)據(jù)處理軟件不斷完善，該技術將會在建筑數(shù)字化模型構(gòu)建領域?qū)⒌玫礁鼜V泛、更成熟的應用。