綜合三維激光與建筑信息模型的精密測量應(yīng)用

韓煒辰

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江西總隊(duì)，江西 上饒 334000）

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是目前我國在施工過程中數(shù)據(jù)測量的一項(xiàng)突破性技術(shù)， 可以有效地實(shí)現(xiàn)場景重現(xiàn)， 建筑信息模型近年來在我國也得到了迅速發(fā)展，在建筑行業(yè)內(nèi)廣受歡迎，在測量工作上也被廣泛應(yīng)用[1]。 三維激光掃描技術(shù)和建筑信息模型在建筑工程中都發(fā)揮著重要的作用， 將二者綜合應(yīng)用在工程的數(shù)據(jù)測量中， 將為建筑工程更高質(zhì)高效提供條件。

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是通過利用激光可以測距的原理來記錄物體表面的三維坐標(biāo)以及其反射率的信息， 可以實(shí)現(xiàn)重建目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)和整體模型，這項(xiàng)技術(shù)是測量數(shù)據(jù)的突破性技術(shù)，一般三維激光掃描技術(shù)需要很多設(shè)備， 包含三維激光掃描儀、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以及數(shù)碼相機(jī)等，通過三維激光掃描技術(shù)，最大程度地將實(shí)體情況展現(xiàn)出來，可以應(yīng)用在工程中的測量、檢測、分析等環(huán)節(jié)。在三維激光掃描技術(shù)使用的過程中不需要對(duì)所掃描的物體做任何的處理，不需要接觸到實(shí)際物體就可以測量出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并且三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采樣率非常高，最高可達(dá)到數(shù)百萬點(diǎn)每秒，并且三維激光掃描儀在使用的過程中不會(huì)受到過多外界因素的限制，時(shí)間、空間等都不對(duì)其造成影響。通過三維激光技術(shù)采集到的信息都是數(shù)字信號(hào)，為數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)化和輸出等都提供了更大的便利，三維激光掃描技術(shù)之所以被認(rèn)可，還有重要的原因之一就是其掃描的數(shù)據(jù)不僅準(zhǔn)確度高，速度和分辨率都非常的高， 在工程測量中提供了高效的數(shù)據(jù)測量條件。三維激光掃描技術(shù)是通過其特定的掃描和測量方式，還原并描述物體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的三維重建，包括對(duì)線、面、體等數(shù)據(jù)的測量。 掃描的過程中掃描儀會(huì)發(fā)出激光信號(hào)到物體上，通過物體進(jìn)行反射再將信號(hào)傳回到掃描儀，將其中獲取的各種測量信息一并傳回到接收器， 所測內(nèi)容包括距離、 角度等以及激光脈沖橫向和縱向的掃描角度的觀測值，分別為α 和θ，進(jìn)而得到物體的特征的精確測量情況。 將激光發(fā)射出設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，三維激光掃描儀開始轉(zhuǎn)動(dòng)軸為X 軸， 橫向掃描面內(nèi)為Y 軸，垂直于掃描面的為Z 軸，以此得到目標(biāo)物體的掃描坐標(biāo)。 如下圖所示，三維激光掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描坐標(biāo)系統(tǒng)

2 建筑信息模型

我國目前的建筑信息模型技術(shù)已經(jīng)是處于快速發(fā)展時(shí)期，BIM 技術(shù)已經(jīng)通過了起先理論、 概念的研究并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和初步的探索， 目前已經(jīng)在深度應(yīng)用的階段。建筑信息模型又稱為BIM 技術(shù)，其工作原理主要是借助三維數(shù)字技術(shù)， 將建筑工程在建筑的過程中， 建筑內(nèi)的整體可以通過模型展示，將全部信息進(jìn)行收集處理，以形成一個(gè)建筑的信息庫。 建筑信息模型可以將建筑過程中的各個(gè)階段信息關(guān)聯(lián)起來，形成直觀的、真實(shí)的并且十分準(zhǔn)確的模型數(shù)據(jù)，以供建筑工程參考使用，使建筑工程整體的信息和數(shù)據(jù)是同步變更的。 在建筑工程中， 建筑信息模型可以為各方面的施工工作人員提高數(shù)據(jù)，將信息整合共享[2]。

3 三維激光與建筑信息模型綜合應(yīng)用的原理及重要性

三維激光與建筑信息模型相結(jié)合的核心就是三維重建， 也就是將各種測量出來的零散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維的模型， 結(jié)合兩項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)目標(biāo)物體機(jī)械施工檢測和空間對(duì)比， 將測量工作轉(zhuǎn)化為點(diǎn)位高精度檢測和面狀整體檢測相結(jié)合， 將建筑工程內(nèi)的物體可以從點(diǎn)到面、 面到體的綜合測量和分析。 在使用三維激光技術(shù)將建筑工程中的目標(biāo)物體進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)記錄后，使用建筑信息模型將這些數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)出來并與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，可以有效地進(jìn)行工程的質(zhì)量檢驗(yàn)和檢測工作，并且提高工程測量的精密程度和效率，在工程中的應(yīng)用具有很重要的作用。

4 綜合三維激光與建筑信息模型的精密測量應(yīng)用

4.1 工程放樣測量

在使用三維激光技術(shù)和建筑信息模型的過程中，最開始的步驟就是進(jìn)行工程方樣測量，使用綜合技術(shù)可以提高方樣測量的效率和精確度，在傳統(tǒng)的工程放樣測量工作中，工作人員大多數(shù)是采用以圖紙為基礎(chǔ)參考方式進(jìn)行測量和計(jì)算數(shù)據(jù)，在放樣測量中容易產(chǎn)生誤差，并且測量的數(shù)據(jù)和測量的過程不能直觀地展現(xiàn)出來。 使用三維激光技術(shù)和建筑信息相結(jié)合的方式就可以將工程方樣測量的過程進(jìn)行簡化，還可以將整個(gè)測量的過程展現(xiàn)出來，方便測量人員可以直觀的對(duì)于放樣測量工程進(jìn)行檢測，根據(jù)三維模型確定放樣點(diǎn)，從而提高工程放樣測量的精確性和效率，進(jìn)而提高整體工程的效率與準(zhǔn)確度。

4.2 工程測繪

綜合三維激光技術(shù)和建筑信息模型還可以應(yīng)用在工程測繪當(dāng)中，通過二者技術(shù)的綜合使用，對(duì)建筑工程物體的整體或者局部進(jìn)行測量工作，并且從中獲得連續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，通過將三維激光技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)信息輸入到建筑信息模型當(dāng)中，使數(shù)據(jù)進(jìn)行加固處理，形成三維模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在建筑工程中從信息采集到信息處理再到通過建筑三維模型對(duì)整體工程的測繪工作，并且利用三維模型還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于建筑工程中的構(gòu)件受力計(jì)算和測量的工作，三維激光技術(shù)還可以在此過程中對(duì)模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化及補(bǔ)充，提高工程數(shù)據(jù)測量的精密程度。

4.3 繪制電子地圖

使用三維激光技術(shù)和建筑信息模型綜合應(yīng)用可以使針對(duì)建筑工程繪制的電子地圖更加準(zhǔn)確，使用三維激光技術(shù)可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)百個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息收集以及空間情況收集，并且精確度極高，甚至達(dá)到毫米級(jí)的精確程度，再加上建筑信息模型的融合，可以使電子地圖內(nèi)的信息更加完整且精確，并且能夠提供地圖儲(chǔ)存信息的能力，提高地圖的可視度，使其更加直觀，并且地圖的識(shí)圖功能會(huì)更加的敏銳便捷，為工程中的地理信息查詢工作提供了更便捷更精確的信息條件。

4.4 動(dòng)態(tài)測量變形情況

綜合應(yīng)用三維激光技術(shù)和建筑信息模型還可以為建筑工程的變形情況進(jìn)行檢測，通過技術(shù)提高準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)作為檢測的參考[3]。 在傳統(tǒng)的技術(shù)中對(duì)工程的變形情況進(jìn)行檢測時(shí)，主要是通過設(shè)置變形監(jiān)測點(diǎn)來進(jìn)行變形檢測，這一方式對(duì)變形情況較大的時(shí)候存在一定的局限性，但是使用三維激光技術(shù)就可以對(duì)建筑工程的整體進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)信息測量，可以有效地保證測量的準(zhǔn)確度，如在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中，使用三維激光技術(shù)和建筑信息模型對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的測量，將整體范圍全面覆蓋，以提高變形檢測工作的精密性，如果由于變形導(dǎo)致在安裝時(shí)出現(xiàn)意外，也可以通過三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的收集，確定是哪一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，并且有針對(duì)性地為安裝設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

4.5 提供裝配式安裝數(shù)據(jù)

建筑工程施工現(xiàn)場的過程中是否存在構(gòu)件安裝和構(gòu)建設(shè)計(jì)的位置出現(xiàn)偏差的情況，綜合使用三維激光掃描技術(shù)和建筑信息模型也是可以將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測量出來的， 并通過對(duì)測量數(shù)據(jù)的分析，為有偏差的構(gòu)架安裝提供明確的指導(dǎo)，確保裝配式安裝的質(zhì)量問題。在湖北的某個(gè)建筑工程中就利用了三維激光掃描技術(shù)和建筑信息模型相結(jié)合的方式進(jìn)行輔助裝配式安裝，使用建筑信息模型對(duì)于建筑內(nèi)外的整體情況和局部問題進(jìn)行工程測量，并且通過建筑信息模型測量得到的數(shù)據(jù)情況，為預(yù)配置的配件加工單位提供一系列安裝構(gòu)建的數(shù)據(jù)信息，包括梁柱、墻板等十分全面，以此作為裝配式建筑安裝的參考，并且在裝配式安裝結(jié)束后，還可以在此利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)于施工的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，進(jìn)而檢測安裝質(zhì)量。

4.6 驗(yàn)收測量數(shù)據(jù)

在建筑工程的驗(yàn)收環(huán)節(jié)，綜合應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)和建筑信息模型也可以發(fā)揮巨大的作用，為驗(yàn)收環(huán)節(jié)提高準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。在傳統(tǒng)的施工技術(shù)中，驗(yàn)收環(huán)節(jié)需要用各種測量工具，如卷尺、直尺、量角器等對(duì)建筑工程的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行人工測量，以確保其數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)圖紙一致，并將測量數(shù)據(jù)記錄下來與設(shè)計(jì)圖紙相對(duì)比， 可以說工作量是非常的大。但現(xiàn)在在驗(yàn)收期間，可以首先使用三維激光掃描技術(shù)在施工的現(xiàn)場進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取工作，將從中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理并將其輸入到建筑信息模型當(dāng)中，通過建筑信息模型將現(xiàn)場施工完成情況以三維模型呈現(xiàn)出來，直觀地展現(xiàn)出實(shí)際完工建筑與建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是否存在差異。 通過對(duì)比分析，能夠準(zhǔn)確并及時(shí)地發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，并將數(shù)據(jù)分析作為參考依據(jù)，使建筑工人可以有針對(duì)性地進(jìn)行工程完善。 如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題，可以及時(shí)采取補(bǔ)救措施，比如某房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目的驗(yàn)收環(huán)節(jié)對(duì)工程測量中，使用三維激光掃描技術(shù)以及建筑信息模型相結(jié)合的方式對(duì)建筑的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了外墻存在的問題，并利用所得數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)和更正，保證了施工的質(zhì)量，進(jìn)而保證工程的精密度。

5 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)和建筑信息模型都是在建筑工程施工過程中有重要作用的技術(shù)，能為建筑工程提供更加精確的數(shù)據(jù)和更高效率的工作，將二者結(jié)合應(yīng)用更是能在工程中的多個(gè)環(huán)節(jié)體現(xiàn)。 相關(guān)建筑單位應(yīng)該加大對(duì)二者的重視，不斷優(yōu)化技術(shù)， 并將其更廣泛地使用在各個(gè)建筑工程當(dāng)中，促進(jìn)整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展。