三维激光扫描测量在老宅保护中的应用

周佳佳

摘要：施工单位进场后的一项重要工作是场地原始地面方格网的测设，目的在于记录原始地貌现状，确定整个场地或局部区域平均标高，为场地平整或基坑开挖土方工程量结算提供客观依据。传统的数据采集基本为基于点的模式，即用全站仪、GPSRTK获取离散点的三维坐标。本文对三维激光扫描测量在老宅保护中的应用进行分析，以供参考。

关键词：三维激光扫描;老宅保护;测量应用

引言

近年来，非接触式测量技术的发展在适应更多复杂测量环境、高效准确获得被测目标的表面轮廓信息等方面体现出了独特的优越性，尤其以三维激光扫描测体积技术为代表的非接触式体积测量方式在采矿、林业、建筑、医学等领域中的应用已逐渐崭露头角。

1传统测量方法

采用传统测量方法主要任务包括：地上控制测量、联系测量、地下控制测量、地下空间数据获取等。地上控制点可以利用网络实时动态载波相位差分技术（Real-TimeKinematic，RTK）布设控制点，也可以根据现场情况布设导线点。因为地下空间出入口位置是固定的，为了提高地下控制点的精度，尽量在出入口附近布设控制点。高程采用水准仪联测附近已知高程点。

2三维激光扫描技术原理

2.1激光三角法

激光三角法顾名思义就是利用相似三角形原理，结合激光传感器来计算得到待测物体表面与参考面之间的距离，再根据提前标定好的设备坐标等来获得物体表面坐标，广泛应用于高精度工业检测领域。陶依贝利用基于激光三角法原理的激光扫描系统测量传送带物料体积，并经过现场实验验证测量结果的误差在3%以内，证明基于该原理测量的可行性、可靠性。该方法与飞行时间法相比成本低，且测量范围广、结构简单、维护方便，是一种高速、高效、高精度、应用前景广阔的非接触测量方法，但由于相似三角形测距的原理，随着测量距离的增大，误差也会越来越大，这也是激光三角法的局限性，难以改变。

2.2双目体视法

双目体视法与前面三种方法不同，是唯一的一种被动式测量方法，通过模仿人的两只眼睛来获取两个视图信息，通过视差计算对待测物体进行定位。由于检测环境多变，检测系统各器件之间的位置关系也会影响到检测结果，为保证系统稳定性和可靠性，工作前对系统进行标定是很有必要的，目前使用最多的标定方法为张正友标定法。测量设备中需要有两个高分辨率相机，工作时同一个物体在两个相机内成像，实现定位的最主要步骤为坐标点的匹配，即为物体表面一点在两个相机中的位置匹配，通过同一点在两相机中的位置坐标来计算物体表面点的坐标信息，所以匹配的越精确，获得的物体表面坐标信息就越准确。毛琳琳利用该原理设计了大堆物料测量平台，可实现对大堆物料的三维重构和体积计算，并通过实验验证该平台满足实际应用要求和操作需要。双目体视法优点是成本较低的同时理论精度高，但也容易受到环境光干扰，在一些环境光强的场景中难以发挥出优势。

3三维激光扫描仪的特点

三维激光扫描技术，被誉为测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命，也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。具有快速性、不接触性、穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性。每秒可轻松、精确获取数万点至数十万点三维坐标点云数据，快速建立物体的三维影像模型。

4应用案例

4.1技术流程

（1）现场踏勘老宅测量前应前往现场了解情况，大概掌握老宅房屋现状、主要结构布局及周边的地形、地貌等。手绘现场草图，并收集老宅所在位置的地形图、影像图、控制点、水准点等可利用数据。（2）方案设计根据现场踏勘了解的情况、现场草图和收集到的地形图、影像图等资料，初步设计园区内部控制点布设位置和三维激光扫描仪测量架站路线。（3）控制点布设根据CJJ/T8-2011《城市测量规范》、GB50026-2007《工程测量规范》等规范规程要求布设平高控制点，平面采用GNSSRTK测量方法布设三级平面控制点，高程控制测量宜采用水准测量、电磁波测距三角高程测量和GNSS高程测量等方法。控制点至少布设4个，其中3个用于扫描拼接后的点云进行坐标转换，1个控制点用来检验转换精度。RTK平面控制测量结束需要进行不少于控制点点数10%，不低于3个的重复测量检查，并采用全站仪对控制点进行边角检核。（4）现场测量根据设计的测量方案现场布置扫描，并采用全站仪采集部分墙体等特征点验证点云测量精度。（5）内业数据处理主要包括点云数据传输、点云拼接、RTK选点处理、水准平差、全站仪碎部点解算、点云坐标转换等。（6）质量检查使用控制检验点和全站仪采集的特征点对坐标转换后的点云数据进行精度检查，验证点云拼接、坐标转换后的精度和可靠性。（7）绘制平立剖面图根据拼接和坐标转换后的点云绘制老宅的平面图、立面图、剖面图。（8）三维建模为了长久保留老宅的建筑结构资料，也为了更加直观地还原老宅的容貌，帮助以后修复及BIM改造，可利用点云数据及平立剖图对老宅进行三维精建模。

4.2三维激光扫描测量

现场扫描采用FAROS350三维激光扫描仪，布设方式采用由外向内的逐站推进，共架设158站，无靶球靶纸的相邻测站至少有30%的点云重叠度。因扫描的老宅含有前厅、洗手间、东厢房、西厢房、厨房、凉亭、檐廊、书房、正房等房间，房间数量众多。为了详细测绘每一处的房屋结构及后续点云拼接，一般在门前、门下及门后各架设一站。此外，为了可以扫描到屋顶的结构，在老宅临近房屋阳台处架设扫描仪，向下进行扫描，通过在地面上布设3个以上不同高度且不在同一平面上的靶球，利用靶球特征点将阳台上的测站与地面测站联系起来。

结束语

在建设用地越来越稀缺的同时，城市空间也变得越来越宝贵，其合理开发利用可以为人们带来更多生活便利。而开发利用的前提是对其进行全方位的测绘，传统的空间测量方法是内业数字化和实测相结合的方式，根据建筑设计图、竣工图等进行扫描数字化，对空间实际情况进行实地核实测量，对变动较大的重新测绘。

参考文献

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[2]于晓.基于激光扫描技术的三维几何测量研究[D].青岛大学，2017.

[3]武学峰.三维激光扫描测量系统的研究与开发[D].吉林大學，2012.