三維激光掃描技術(shù)在異型建筑玻璃幕墻中的應(yīng)用研究

劉鵬

摘 要：傳統(tǒng)測量方式無法對異型建筑玻璃幕墻進(jìn)行快速量測。以深圳創(chuàng)維半導(dǎo)體設(shè)計大廈玻璃幕墻為研究對象，闡述了三維激光掃描技術(shù)在該類項(xiàng)目中的技術(shù)流程，并且利用Faro Scene和AutoCAD后期處理軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，提取鋼結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)然后計算邊長為后期加工玻璃提供了精確的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：異型建筑；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；Faro Focus3D；玻璃外墻

1 概述

隨著城市化的快速推進(jìn)，城市建筑呈現(xiàn)特異化，一些具有帶有企業(yè)特征的建筑外形被設(shè)計建造，給建筑外表面的裝飾帶來極大困難，采用常規(guī)方法外業(yè)工作量較大，精度難以達(dá)到要求。隨著三維激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了一系列相關(guān)研究與應(yīng)用[1-7]，其中謝宏全[8]等利用三維激光掃描技術(shù)對異形建筑竣工進(jìn)行了測量計算，謝雄耀等[9]利用地面三維激光掃描技術(shù)對隧道全斷面變形測量方法進(jìn)行了探討，周巖[10]將三維激光技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用于精密工程和快速定位技術(shù)中，對大型建筑進(jìn)行了測量。本文結(jié)合深圳創(chuàng)維半導(dǎo)體設(shè)計大廈玻璃幕墻安裝項(xiàng)目，采用Faro Focus3D三維激光掃描儀和免棱鏡全站儀，探討了三維激光掃描技術(shù)在異型建筑玻璃幕墻中的應(yīng)用，總結(jié)了該類項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集、處理及模型構(gòu)建的具體方法步驟。

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱作實(shí)景復(fù)制或高清晰測量（high definition survey，HDS），是近幾年興起并且廣泛應(yīng)用于工程測量中，極大的節(jié)約了人力物力成本。三維激光掃描是借助于激光技術(shù)，對被測量表面的位置信息、紋理信息進(jìn)行迅速采集的一種先進(jìn)測量技術(shù)，并且通過后期軟件可以構(gòu)建出被測物體的三維模型，該三維模型帶有位置信息。當(dāng)前，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于古建筑保護(hù)、大型異形建筑外觀采集、室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)物件翻模、大型艦船、土木工程、變形監(jiān)測等領(lǐng)域。

三維激光掃描系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集的設(shè)備，軟件包括后期數(shù)據(jù)拼接、建模、貼紋理等功能的計算機(jī)軟件。根據(jù)硬件設(shè)備的不同，可以將其分為車載、機(jī)載和地面型三種。該技術(shù)的出現(xiàn)，極大的推動了測繪作業(yè)方式和領(lǐng)域，使得傳統(tǒng)測繪無法進(jìn)行的任務(wù)可以通過三維激光技術(shù)完成。本文通過實(shí)際的項(xiàng)目實(shí)例，探討在大型異形建筑玻璃幕墻中三維激光技術(shù)的應(yīng)用流程及優(yōu)勢。

3 工程概況與點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

3.1 項(xiàng)目概況

深圳創(chuàng)維半導(dǎo)體設(shè)計大廈位于深圳南山高新區(qū)南區(qū)，設(shè)計塔樓總高110米，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目設(shè)計外觀如1所示，實(shí)際工程圖如圖2所示。建筑外觀呈現(xiàn)喇叭口形狀，外部采用玻璃幕墻風(fēng)格，并且根據(jù)其設(shè)計圖紙，每塊玻璃尺寸均不一致，建筑外墻較為復(fù)雜。

3.2 掃描技術(shù)方案設(shè)計

參考國內(nèi)外實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本次玻璃幕墻測量采用三維激光掃描與全站儀測量相結(jié)合的方式進(jìn)行量測，基本原理如圖3所示。由于三維激光掃描具有采集數(shù)據(jù)量大，時間短的優(yōu)勢，因此本次工程主要使用三維激光技術(shù)進(jìn)行作業(yè)。但是三維激光掃描時，需要輸入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，本次采用免棱鏡的全站儀對控制點(diǎn)進(jìn)行控制測量，對其水平和高程測量，為后期三維激光掃描作業(yè)提供高精度的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，流程如圖4所示。

3.3 控制點(diǎn)布設(shè)

首先在電子平面圖上選取待定的控制點(diǎn)，然后在實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場確定實(shí)際控制點(diǎn)的數(shù)量，本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況選取8個控制點(diǎn)，采用拓普康GPT-3102N全站儀進(jìn)行控制測量。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

本次對建筑鋼結(jié)構(gòu)輪廓掃描時，由于輪廓不規(guī)則而且周圍仍有建筑腳手架等設(shè)施遮擋掃描視線，為了得到大廈鋼結(jié)構(gòu)全部完整輪廓，分為地面和樓頂兩處進(jìn)行掃描。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集掃描時的基本流程為：

（1）標(biāo)靶坐標(biāo)測量。首先利用免棱鏡全站儀測量得到每個測站的靶標(biāo)的場地坐標(biāo)系，通過三個及以上標(biāo)靶點(diǎn)將三維激光掃描得到的儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為場地坐標(biāo)系。

（2）標(biāo)靶掃描。后期數(shù)據(jù)處理時，需要將每個測站上的數(shù)據(jù)拼接成完整的三維點(diǎn)云，對于每個測站需要設(shè)置至少3個靶標(biāo)，并且需要利用全站儀對其進(jìn)行測量，獲得其場地三維坐標(biāo)。

（3）分站掃描。充分考慮通視和覆蓋，設(shè)定不同的測站實(shí)施三維激光點(diǎn)云獲取。選擇測站時，測站與測站距離根據(jù)建筑物拐角等情況確定，以保證掃描數(shù)據(jù)沒有遺漏。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，一般情況下是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)的完整性，平滑掉點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)，填補(bǔ)齊缺失的部分點(diǎn)云，清除其中的雜質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理及精度評價

4.1 數(shù)據(jù)處理

激光掃描數(shù)據(jù)處理主要包括：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云裁剪以及噪聲點(diǎn)剔除、點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出等步驟。

4.1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

三維激光掃描儀在對物體進(jìn)行掃描時，設(shè)備內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)是設(shè)備依據(jù)自身設(shè)定的工程坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系以當(dāng)前測站為坐標(biāo)中心。但是在后期處理時，我們通常將所有測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，因此將設(shè)備自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為場地坐標(biāo)系是三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的第一步也是最關(guān)鍵一步，只有將其準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為場地坐標(biāo)才能發(fā)揮點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效性，將是實(shí)際場地較為準(zhǔn)確的展現(xiàn)表達(dá)出來，為后期數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理奠定基礎(chǔ)。

在本項(xiàng)目中，將Faro Focus 3D Scanner掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為場地坐標(biāo)，在轉(zhuǎn)換時需要在每個測站至少掃描3個靶標(biāo)，作為坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換糾偏配準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)，在完成配準(zhǔn)后即完成了兩套坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)差控制在2mm左右，能夠完全滿足本次玻璃幕墻建模的要求。

4.1.2 點(diǎn)云裁剪以及噪聲點(diǎn)剔除

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免的將其他物體掃描存入點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，形成數(shù)據(jù)冗余；并且由于腳手架等其他設(shè)施的存在，會遮擋部分被掃描物體，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失。冗余數(shù)據(jù)對后期建模毫無意義，并且增加了處理數(shù)據(jù)的工作量，因此我們需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，將冗余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾掉，為下一步提取被測物體真實(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

在Faro Focus3D隨機(jī)配置的Faro Scene軟件中，將每個測站的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，通過軟件自帶的濾波功能除去噪聲點(diǎn)及冗余數(shù)據(jù)，最后得到濾波點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降噪處理后的部分點(diǎn)云如圖5所示。

4.1.3 數(shù)據(jù)抽稀

點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過大會極大消耗計算機(jī)內(nèi)存資源，對建模、顯示等操作產(chǎn)生困難，根據(jù)項(xiàng)目建模要求，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀操作。抽稀過程為對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，本次采用2*2對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣操作，經(jīng)過抽稀操作，可以在保證精度要求的基礎(chǔ)上極大減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的冗余度，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

4.1.4 交點(diǎn)中心坐標(biāo)獲取及邊長計算

在對點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過上述操作之后，可以獲取鋼結(jié)構(gòu)交點(diǎn)中心的坐標(biāo)值，并且與設(shè)計的點(diǎn)號一一對應(yīng)，最后可以計算出每個管徑的長度，如圖6所示。兩次拾取坐標(biāo)點(diǎn)的結(jié)果點(diǎn)（部分）如表1所示，X1、Y1、Z1為第一次拾取坐標(biāo)值，X2、Y2、Z2為第二次拾取坐標(biāo)值，兩者相差較少，表明數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的能夠滿足實(shí)際使用。

4.1.5 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

為后期利用EXCEL工具，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，直接輸出到CAD中進(jìn)行建模（如圖7）。

4.2 精度評判

本次應(yīng)用三維激光掃描測量以及無棱鏡全站儀測量2種測量方式，由于全站儀測量精度較高，因此將其作為參考點(diǎn)，將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與其作對比，對其進(jìn)行精度評價。

從表2中，其點(diǎn)云坐標(biāo)E、H兩者相差較小，誤差都控制在毫米級上，而N相比較之下差值稍大。導(dǎo)致在N方向上差值較大的原因是因?yàn)樵诤笃跀?shù)據(jù)處理時，點(diǎn)云坐標(biāo)由儀器坐標(biāo)轉(zhuǎn)為場地坐標(biāo)時，造成了N方向上產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致精度下降，但是仍然滿足實(shí)際項(xiàng)目的精度要求。

5 結(jié)束語

通過實(shí)際項(xiàng)目表明，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于異型建筑玻璃幕墻測量中是行之有效的，而且可以極大提高工作效率。但是由于建筑設(shè)施（腳手架等）的影響，會遮擋部分物體，因此在掃描過程中應(yīng)該盡量避免遮擋物，而且需要使用全站儀進(jìn)行定位，測量部分參考點(diǎn)用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在今后工作用需要在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和點(diǎn)云精簡方面做進(jìn)一步研究。

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