激光扫描技术实用分析

陈传伟

中铁东方国际集团有限公司北京丰台100071

摘要：随着测量科技日新月异地发展，三维建模技术在图纸设计和现场施工阶段应用越来越广泛，而基于三维建模数据采集的扫描仪在实际应用中也变得普通和频繁。

关键词：激光扫描仪、点云实景数据、BIM建模、建筑物保护

引言

三维激光扫描技术是这几年新进兴起的一门高科技精密测量技术，它选用的是非接触式高速激光测量的方法，对相关物体几何数据进行接触面信号反射进行获取，最后利用后处理软件对数据进行处理和分析，转换成具有坐标系的三维空间坐标及模型，并能够用多种数据格式输出，建立多种格式的空间数据源以满足三维激光扫描技术的不同应用需求。

工程概况：

马来西亚吉隆坡地铁2号线（简称MRT2）C标段为大马城北站到南出口，全长2.2Km，线路工程为两站两区间一洞口一交叉渡线。根据业主的商务合同要求，施工过程需要提供激光三维扫描数据，以便进行设计图纸BIM建模设计。本项目采用了天宝激光TX8扫描仪，在车站不同的施工阶段按照3月/次的频率获取现场空间三维点云数据、施工实景信息等方面的数据，提前掌握车站主体临时维护结构咬合桩、钢支撑与围檩、喷混面的现有竣工情况，用现场三维实景数据和设计的永久混凝土结构进行空间位置对比，检查两者间否有冲突。相较于传统竣工测量现场实测时间长，测点稀少，测量范围不全面而言，三维激光扫描技术无论在数据采集效率还是获取建筑信息完整度、测量精度等方面，都具有无与伦比的优势，该技术也为建筑快速数据化建档提供了强有力的支持。

三维扫描作业流程：

从全景激光扫描仪作业流程来看（图01），我们可以将其概括为前期准备、数据采集、数据加工、点云应用四个阶段。

前期准备阶段：

人员配置：测量人员3人；

设备配置：天宝TX8三维激光扫描仪1台；参照白球5个；三脚架1个；金斯顿工业U盘1个；软件解密狗1个；尼康7100D相机1台；鱼眼镜头1个；高精度全站仪一台，外星人主机1台；戴尔U3415W显示器一台；黑白贴纸若干；Trimblerealwork、KolorAutopanoGiga和AutoCADcivil3D等数据处理软件。

现场数据采集需要注意的事项：

1）时间选择上要固定在白天，周边不能有很强的反射面例如积水坑之类，会造成点云信号的不回收。

2）在激光扫描之前，最好把现场影响到结构物扫描的杂物和机械设备、作业人员清理一下，减少后期数据的剔除任务。

3）在扫描之前贴的黑白帖，要保证下一站点里有2个以上的黑白帖是上一站点的黑白帖，在一个站点里要有最少4个黑白帖，否则每个站点之间拼接容易出现不匹配的问题。

4）扫描完一个站点后，仪器底座不要拿掉，直接连接上相机支架；相机支架的角度是固定的，不得随意调整支架角度；拍照时要以顺时针的方向，每60°拍取1张，共6张照片，如果不是以顺时针方向拍照，后期点云着色会导致匹配不上。

5）现场扫描作业完成后要立即用全站仪把黑白纸的中心点三维实际坐标给测量出来，避免下雨或者现场人员对黑白贴纸的破坏而影响后期的数据三维坐标匹配。

点云数据采集集成效果

现场数据采集完成后进入点云数据处理阶段，点云的数据处理是一项十分重要的工程，处理流程主要分为点云拼接、点云上色、点云除噪、坐标系转化这四个步骤。

点云拼接：一个完整的实体用一幅扫描往往是不能完整的反映实体信息的这需要我们用不同的站点对它进行多幅扫描，这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配问题。在实地扫描过程中，扫描仪的站点选择都是根据现场实际情况随机确定的，要实现两幅或多幅扫描对象的拼接，常规方法是利用选择公共参照点的方式来实现这个过程，这个过程也叫间接的地理参照。我们利用软件TrimbleRealWorks选取特定的反射参照目标（白球）当做不同站点之间的公共联系点，利用它的高对比度特性实现扫描影像的匹配。

点云上色：颜色信息通常是通过相机获取彩色影像，在现场实际操作中将相机以顺时针方向按一定的角度拍6张照片，然后将6张照片导入KolorAutopanoGiga软件中合成。将合成的照片再次导入到TrimbleRealWorks中，将对应位置的像素的颜色信息赋予点云中对应的点，完成点云上色。

点云除噪：这里说的点云除噪仅仅只是物体表面的尖锐特征及周围无用的点云信息导致的测量产生毛刺噪声，在扫描仪360°的数据采集过程中，会把周边所有运动和固定的物体、人员、机械都扫描成点云数据进行存储。在TrimbleRealWorks中将影响三维效果的多余点云进行切割，从而提高三维效果。以下是软件操作最后完成的效果图：

完成处理的点云实景数据

坐标系统转化：现场数据扫描的时候，扫描仪会系统默认架站的仪器位置为其独立坐标系的原点，任何扫描的点位显示的都是相对于仪器设站的距离和高度，为方便和将来的设计结构位置进行对比，匹配完后根据已进行坐标测量的黑白贴纸把扫描仪自己的独立坐标转化为现场的施工坐标系，方便对任意点位的三维坐标查找和提

点云大数据的应用：

点云数据经Trimblerealwork软件处理后即可输出15种不同的数据格式以满足使用者的不同需求，最常用的是转化为.las、.dxf和.e57等的数据格式，下面分别主要介绍这3种数据格式的实际应用。

点云数据输出格式

Las数据主要运用在Civil3D中的曲面建模里面，在Civil3D中使用点云功能：点云→创建点云数据→las，把las数据导入点云（后台创建点云数据），点云特性里面可以选择点云颜色，再从点云转入；选中点云模型，加入早先创建好的曲面里面，可以选择点云的密度，建立曲面后可以方便地实现土石方填挖总量计算、实际地形三维建模等应用功能。

E57数据主要运用在BIM建模中，点云数据经TrimbleRealwork导出成E57的格式后，在AutodeskReCap软件中打开并剔除多余观测后数据，保存为RCP的格式；打开AutoCAD三维建模模式，点击“插入”点云“附着”点击RCP文件，随后出现的提示框中点击确定，在AutoCAD命令栏里面输入“0，0，0”插入点，可实现和设计图纸三维空间位置的平面和剖面对比。

点云数据和平面设计图纸的结合

围檩、喷混竣工测量与设计结构断面的结合

DXF数据格式为CAD格式的转化文件，优点是可直接在CAD中打开查看成型建筑的尺寸参数，缺点是由于其包含的点云数据过于庞大，一个测站下来都有100多万个点数据，几个测站组合在一起的话普通的计算机根本无法启动这种大型的DXF数据文件。

历史建筑物保护的扫描应用：

MRT2期地铁项目南站旁边有一个空军控制塔，其被政府列为最高级别的历史建筑物，对于其的保护提出很高的要求，为采集施工前最原始的建筑物状态，我们对其进行三维激光扫描数据采集并进行拍照实景颜色匹配，提前做好破损调查数据记录准备，为以后可能的建筑物修复提供数据基准。

历史建筑物三维扫描

结束语

三维激光扫描野外数据采集时间短，不仅能极大减少测量人员的外业工作量，而且方便设计者利用三维点云成果快速绘制AutoCAD建筑图纸、构建三维模型，进而根据BIM模型设计出符合现场施工的设计图纸，虽然目前还存在扫描器价格昂贵、电脑配置要求高、数据处理专业化等暂时性问题，但不容怀疑的是三维激光数据获取模式是今后测量科技发展的一个大方向，也是中国建筑企业走出去，提升海外市场竞争力的一个新技术亮点。

参考文献：

[1]谢宏全，谷风云.地面三维激光扫描技术与应用，武汉大学出版社；第1版（2016年2月1日）

[2]程效军，贾东峰.海量点云数据处理理论与技术，同济大学出版社；第1版（2014年5月1日）

[3]肯尼迪（K.HeatherKennedy），戴红.三维空间数据建模，清华大学出版社；第1版（2013年1月1日）

[4]黄明，马朝帅.地面激光点云处理与精细重构理论与方法，科学出版社；第1版（2016年11月1日）

作者简介：陈传伟（1984-），男，广西钦州人，2008年毕业于西南科技大学测绘工程专业，本科学历，工程师，现于马来西亚吉隆坡从事地下工程测量管理工作。