三維激光掃描技術在房產測量中的運用研究

胡曉麗 北京龍泰經緯測繪有限公司

1 三維激光掃描測量

1.1 三維激光掃描測量系統簡介

3D 激光掃描技術是20 世紀90 年代的高速定位技術，屬于GPS技術的一部分，是全自動、高精度的立體掃描技術。借助新技術，3D 激光掃描技術定位精度高，自動化程度高、點云采集速度快、全天候運行、兼容性強、軟件功能齊全。該技術收集大量3D點，然后快速處理和形成目標對象的3D 模型。同時，可以快速復制各種幾何數據，如對象的線條、沖浪、框架等。因此，3D激光掃描技術也被稱為“實時場景復制技術”。

3D激光掃描技術是結合各種技術獲得空間數據的新方法。由激光掃描模塊、圖像收集模塊、導航定位模塊、控制平臺、電源模塊等附件構成。從3D激光掃描儀測量系統得到的原始數據被稱為點組數據。不是單個點，目標物體表面上的點云可以同時掃描和收集。目前，三維激光掃描技術是一種快速發展的新技術，越來越多地應用于測量和繪圖領域。

1.2 三維激光掃描測量原理

3D 激光掃描測量是非棱鏡和非接觸測量方法，可以迅速提供接地物體的空間位置，它的出現給其他測定方法帶來了很大的挑戰。測量系統的特點廣泛應用于復雜惡劣的環境，深受許多測量和測量研究人員的喜愛。不同掃描系統的測量原理幾乎相同，但定位過程不同。操作原理如下：首先，系統內部的GPS裝置精確定位系統載波，IMU的第一個目標是獲得操作員的原始位置處的準確坐標和位置。第二，激光脈沖發射激光信號并發射被測物體。在反射之后，接收器接收部分反射的激光脈沖信號。記錄器捕捉被攝體相對于激光掃描儀的角度和距離來記錄。同時，掃描系統的內置設備GNSS和IMU被轉換成可直接識別和處理的數據。使用激光脈沖連續掃描目標物體，最后通過數據融合獲得目標物體的精確三維點組數據。獲取的點組數據在辦公室中加以處理，創建目標對象的3D模型。

2 三維激光掃描測量技術分析

三維激光掃描測量技術的出現和發展，為獲取空間三維信息提供了全新的技術途徑，也為測量信息的數字化發展提供了必要的生存條件。該系統的出現引發了現代測量技術的新革命，引起了相關行業研究人員的廣泛關注。同時，研究方向和重點是激光掃描測量的定位方法和辦公數據處理的研究。三維激光掃描測量系統克服了傳統測量技術的局限性，關鍵技術在于在野外數據采集中集成多種定位方法獲取點云，在辦公數據處理中利用精確的點云配準方法構建高精度的三維點云模型。

2.1 融合定位

3D激光掃描測量系統不僅突破了傳統測量方法的單點定位的極限，而且通過各種定位方法的集成解決了不同場景中衛星信號強度的問題。三維激光掃描系統配備GNSS 和IMU 定位系統，支持SLAM 算法等綜合定位技術，融合定位技術的主要任務是內外連續定位。在以往的單點定位方式中，無論GNSS定位、IMU慣性導航定位、Slam技術如何，都不能無死角地實現長期的室內外定位。在露天點組數據收集中，融合定位是三維激光掃描系統的重要技術，可以解決不同場景中定位精度和長期定位的困難，并且數據精度和時間可以顯著提高效率。

2.2 點云配準

點云配準不僅是業界處理點云數據的第一步，也是決定點云模型精度的重要步驟。由于掃描區域大、特征多、環境復雜，必須使用算法對每個掃描獲得的大量點云數據進行整合和注冊。因此，點組對準是所有后續處理的基礎，對準的準確性直接影響點組模型的精度。

3 三維激光掃描權籍測量優缺點分析

三維激光掃描技術在農村所有制研究中的應用，不僅可以減少野外研究對人力物力的需求，還可以充分滿足技術法規對數據準確性的要求，縮短工作周期，提高所有制研究的效率，為探索農村房地產提供了一種新的技術方法。這個技術有以下優點。

（1）運營效率高。3D 激光掃描測量系統的數據收集速度非?？?。在點組數據中生成多個點，并使用相關的處理軟件在對象的3D實際場景模型中快速構建點組數據。

（2）定位方式不同，精度高。3D激光掃描測量系統的配置相對特殊。GNSS 天線和IMU 慣性導航系統安裝在能夠同時接收GPS、GLONASS、伽利略、北斗等衛星信號、支持北斗信號解決方案的系統中。

（3）收集多邊形數據。根據三維激光掃描測量系統的配置特性，在水平方向上有350°的高速掃描，在垂直方向上有90°～270°的高速掃描。

當然，三維激光掃描測量系統也存在以下幾個方面的短板問題。

（1）設備昂貴。3D 激光掃描系統是非常昂貴的硬件和軟件，使用系統時，必須保證設備的安全性。

（2）操作技術難度高。根據上述三維激光掃描測量系統的操作流程，該方法復雜而詳細，并且對測量者有高技術要求。

（3）數據量多，對設備性能要求高。3D激光掃描測量系統使用高清晰度照相機收集表面點組數據，并收集紋理圖像。激光頭每秒收集60 萬個3D 點組數據和高清像素進行拍攝，隨著掃描區域的增加，數據量也增加。另外，系統下載的數據很難共享，只能用專業軟件處理。為了生成數字結果，對大數據處理和設備構成的要求高。

4 三維激光測量技術在建設工程施工階段中的應用

4.1 某市金融大廈鋼結構項目概況

該項目位于萬達廣場以東的國際貿易和金融中心，毗鄰濕地公園，地理優越，總高度138m，由兩個記錄塔組成。頂層有空氣通道，形成了“門”形狀的建筑。其中，南北兩棟26～30層的超高級甲級辦公樓采用統一鋼結構的整體設計，上部有空中城的走廊，所以正確的設置很重要。廊，停止升降機，靜置24h。

第二，24h 后，檢查各點臨時措施是否正常。確認后，繼續總同步升級。

第三，將鋼廊提升到設計高度以下約200mm，降低泵站頻率，降低升降速度，使網格位置正確。

第四，安裝主幀的嵌入部件，焊接對應的位置，實體化鋼廊的主框架和兩側的交叉支撐結構，將上層結構和滑動支撐焊接在固定鋼廊上。

4.2 數據采集技術路線

建筑激光掃描點云數據取得主要包括以下步驟。

第一步，根據施工現場的地形特征臨時確定測定系統，通過施工現場的測定取得掃描的施工現場。另外，還需要調查是否從一個地方得到有關特征的完整信息。

第二步，確保掃描參數（例如掃描精度和三腳架掃描距離）與實際掃描位置對準。

第三步，開始掃描，直到所有站點掃描為止。

4.2.1 現場調查

國貿大廈走廊鋼結構為長42m、寬26m、高25m的立方體結構，26 座記錄塔，地板有四個角，一共有八個角。

4.2.2 數據采集

不管國際貿易大廈的走廊結構能否正確焊接，最重要的是要獲得大樓物理空間的準確位置信息。進程如下：（1）根據場所的地形和地形合理設計掃描場所；（2）是否需要多個網站；（3）必須多次架站靶球；（4）直接加戰；（5）根據位置條件設定掃描參數；（6）掃描；（7）取下儀器。

4.3 內業數據處理

4.3.1 二維線劃圖的勾勒

首先，使用Farsecene 軟件預處理高層建筑中的激光點組數據。導入原始數據，根據野外作業中的目標球的垂直位置，在設計中發現目標球，進行拼接、降低噪聲，并根據其導出所需的頂層數據、底部鋼結構數據、懸掛通道撓度數據。接著，使用HD?Modelling 處理點組數據，從公寓的角點提取線數據和位置數據。

將字段云數據導入HDMV，重新定義新的點組坐標系。由于高樓大廈走廊的墻壁、垂直的墻壁和車站的下面與該平面一致，所以建筑物的坐標原點和空間坐標系由3 個共線決定，點組數據用HDModel?ling軟件進行渲染，從而后續的高距離圖和測量站的數據收集更準確可靠。

另外，HDModelling 軟件中，通過指定左視圖，可以獲得北部建筑上部車站的原始點群數據。然后，使用2D線繪制指令，可以提取南北2層上部的輪廓，在南北2層的立面上標記各站的左右距離和高度。

用HDModelling 軟件從高樓大廈提取數據，不僅南北建筑的高度，還可獲得兩層各對角線的位置。南部建筑的左上角為1，下角為2，收集的角數據為中心。

4.3.2 獲取鋼廊道的撓度

如圖1所示，通過三維激光掃描獲得的鋼結構所有點組數據，包括走廊的鋼結構、四層空間結構和上層結構數據，并為后期走廊的正確焊接提供數據保障。接下來，通過掃描整個國際貿易大廈，獲得了整個點組數據，這也為進一步的建模和模擬分析提供了良好的基礎。

圖1 鋼結構全部點云數據

通過在整個走廊預計器中獲得的點組，可以從點組數據精確地獲得撓性變形。最后，走廊最大撓度集中在結構中心，最大值7.3mm，滿足施工吊付標準，走廊鋼結構的剛性和強度滿足要求，具有良好的穩定性。

4.3.3 成果分析

使用3D激光掃描儀從各種建筑物收集數據具有高速、高精度和低風險的優點。這次可以從國際貿易金融中心，南北走廊，南北大樓的高距離數據中調查3D 激光器的高速掃描結果。同時，國際貿易和金融中心南北建筑的一角是鋼結構正確安裝的基礎，南北方向建筑物的轉角對應鋼結構和走廊很重要。從3D激光掃描和測量站數據的比較中，發現3D激光器具有高精度，完全滿足了施工和懸掛的要求。同時，為建設部門的具體實施提供高質量保障的信息。與傳統的全局測量結果相比，點云數據可以提供鋼結構的撓度數據，是否達到了一定的穩定性，是否滿足了全局測量測定所不能得到的建筑基準的要求。此外，獲得的激光多云數據還為鋼結構模型的重構提供了原始數據，提供了分析不同風環境下模型變形的依據，確保了鋼結構的穩定性。

4.4 成果總結

通過ITC 金融中心的高空鋼結構走廊吊掛和連接成型測量項目，充分體現了三維激光測量技術在鋼結構吊掛階段起到很大的輔助作用，比傳統測量更出色。

這個可以從三個優點分析。（1）數據精度高?？臻g幾何數據的結構誤差很小，根據不同觀測區域的要求，精度可以達到毫米級。（2）運用效率高。使用3D 激光測量技術獲得了幾何信息，大大提高了工作效率。3D激光測量技術可以快速、高效、無接觸地實現除了常規測量儀器之外，難以人工到達的地理位置和局部位置。另外，使用3D 激光測量技術的數據收集，可以不受照明時間的影響而在晝夜進行。（3）強大的數據可靠性。3D激光測量技術拒絕了對人眼焦點的觀察，并且防止了由于用戶準備長時間觀察而引起的誤差。

5 結束語

本文以我市國際貿易金融建筑鋼結構懸掛研究項目Farsece、CAD2013 HDModelling for cad 2013、Autodesk 3dsmax2012 等軟件為例，實現了點群數據連接、數據表達、數據截斷和抽取等一系列功能。數據整理分析、立面圖繪制、三維建模效果顯示等，最終制作適合建筑工程的二維和三維數字化產品，實現建筑工程的三維數據結果。簡而言之，這次設計的目的是通過將地面的三維激光測量技術，應用于建筑工程管理來說明其優越性和應用方法，詳細展示建筑工程各階段點群數據所需的數據和結果，協助各種軟件的完成和改造。