三维激光扫描仪测量技术

三维激光扫描仪测量技术

近年来，BIM技术已成为工程建设领域各方关注的焦点。BIM模型是一个面向对象、参数化以及智能化的建筑数字化表示，其通过构筑信息模型建立起一条贯穿工程全寿命周期的网络，将设计方、施工方和业主对工程在不同阶段的不同需求连接成一个紧密相关的体系。但在室内装饰工程BIM应用方面，由于受现场结构工程实际尺寸影响较大，且精度要求极高，所以需要将现场尺寸获取与BIM模型建立相结合，才能将BIM技术真正应用到施工管理中。

三维扫描仪将施工现场土建结构构件的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，再将BIM模型直接导入三维扫描仪配套的软件中进行与点云模型的三维比对，生成检测报告，用以指导调整土建模型，准确还原现场实际尺寸，让装饰模型的建立有更准确的参照，极大地提高装饰模型实用性，更好指导现场施工。

一、技术特点

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。能实现非接触测量，测量结果能直接与CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CIMS（计算机集成制造）等系统多接口，具有速度快、精度高的优点。

三维扫描技术生成的点云模型与土建BIM模型进行对比，指导调整土建模型，从而还原现场实际尺寸，更好指导现场测量和材料下单工作，缩短了工期，提高了工效。三维扫描技术可用于造型复杂的分部分项工程，并能保证装饰效果和设计要求，可用于装饰工程全过程各个阶段的施工质量精度检验工作。

二、适用范围

三维扫描仪适用于室内工程、幕墙工程的施工，特别是有特殊造型的工程。

三、技术性能

三维激光扫描仪高速旋转的反光镜将激光发射器发射出的激光点向四周以97600点/秒的速度发射，由于光速极其快，光点在碰到障碍物后会立即返回到扫描仪，扫描仪可以通过计算发射和返回的时间差来确定每一个点的位置，并将所有点组合在一起，形成整个空间的点云文件。 

不同测量站点的数据拼接组合类似于用手机拍摄全景照片时，手机可以自动找到两张照片中相同的部分，并将它们重叠组合。三维扫描仪配套的软件也可以找到两个空间中三个以上共同的标靶球，或者标靶纸来将两个相邻空间的点云拼接在一起。

图3-1  三维激光扫描仪基本构成

四、施工工艺流程及措施

4.1工序流程：

准备工作→站点选择→标靶纸粘贴→标靶球放置→扫描仪放置→数据扫描→扫描仪保管→数据处理→模型调整→结果应用

4.2施工工艺

4.2.1准备工作：扫描前应将扫描仪器、配套软件、辅助材料、图纸资料、操作人员安排好，现场条件进行检查，确保扫描工作正常进行；

（1）仪器机具：三维扫描仪，专用三脚架，专用白色标靶球，全站仪；

（2）配套软件：三维扫描仪配套realworks软件；

（3）辅助材料：2*2黑白相间格子的A4标靶纸，胶接与清洁材料；

（4）图纸资料：现场平面图纸；

（5）人员安排：仪器操作员1人，辅助人员1人；

（6）检查事项：

检查扫描仪电量是否充足，使用是否正常；

检查三脚架锁扣是否可以正常固定及解锁；

检查标靶球是否有破损；

扫描人员是否熟悉图纸，是否清楚需扫描区域，重点扫描区域在哪里，扫描路线是否已规划好，现场阻碍视线的杂物是否已清理，能否避开现场施工的影响，现场是否已接好供电与照明设备，满足照明要求；

4.2.2站点选择：在土建主轴线交点处附近选择一块场地平整，视线较好的区域作为起测站点；

4.2.3标靶纸粘贴：在起测点附近墙面用胶水或胶带粘贴至少3张标靶纸（空间坐标需要至少3个点来定位），以记录起测点的位置，用全站仪测出这几张标靶纸的中心在土建主轴线和基准点确定的坐标系统的相对坐标，记录备用；

4.2.3-1  标靶纸粘贴

4.2.4标靶球放置：在起测站范围10米之内的不同位置摆放3个以上标靶球作为规划扫描路线第二测量站的连接站（扫描仪可以自动记录标靶球和最初粘贴的标靶纸之间的空间相对坐标），需要在相邻两站的位置都可以完整看见至少3个以上共同标靶球；

图4.2.4-1  标靶球放置

4.2.5扫描仪放置：架设并调平专用三脚架，将三维扫描仪安装在三脚架上并锁定；

图4.2.5-1  三维扫描仪放置调平

4.2.6数据扫描：按扫描仪电源键开机，进入主界面之后选择适合所在现场条件的扫描配置文件，如扫描距离、精细程度、光线情况、色彩情况等参数（通常室内十米：分辨率及扫描质量选择为中等的黑白扫描时长约为两分钟一站；如果需要获取点云的色彩信息，可以设置为彩色扫描，扫描仪在黑白扫描结束后自动进行全景摄影，总时长约为五分钟，摄影文件会自动和点云文件叠加，从而呈现更加逼真的现场实景），点按开始键开始扫描；

图4.2.6-1  三维扫描仪参数设置

起测站扫描完毕后，将仪器搬至预设的第二测量站，然后在第二测量站和第三测量站之间按照第一连接站的要求摆放3个以上标靶球作为第二连接站，从而将每一测量站所测量的点云数据可以在扫描仪配套软件中连接到一起，准确还原各站之间的相对位置；

根据每一个房间的大小设置不同数目的测量站，但是都要确保至少有一个连接站的几个标靶球之间的空间关系是固定的，从而可以将新扫描的点云数据在软件中顺利自动识别，连接到一起，按照规划扫描路线逐步扫描，并且通过连接站记录不同测量站； 

4.2.7扫描仪保管：测量完成后将扫描仪关机取下，并收起三脚架，清洁扫描仪、标靶球等设备之后放入专用箱内保管；

图4.2.7-1 扫描仪保管

4.2.8数据处理：取出三维扫描仪中的SD卡，将数据拷贝到电脑中，打开配套的Realworks软件导入FLS数据，利用软件自动配准工具进行数据配准,生成整个扫描区域的、按照实际空间关系连接在一起的点云文件，Realworks软件支持20亿点的数据处理能力，提拱数据分割工具进行冗余数据处理，将不需要的数据快速删除，使得整体数据迅速变小，增加后绪工作的运行效率；

4.2.9模型调整：在BIM模型中找到之前的土建主轴线和基准点，获取模型中的三维坐标，将之前记录的标靶纸的相对坐标换算为模型中的相对坐标，在点云文件中找到最初标靶纸上的中心点，分别输入它们在模型中的相对坐标，移动到对应位置；

利用Realworks软件进行三维模型与实体检测，将BIM模型直接导入Realworks软件中进行与点云模型的三维比对，生成检测报告，调整土建模型，准确还原现场实际尺寸；

4.2.10结果应用：除了利用三维扫描生成的点云文件进行土建模型的对比与调整外，还可进行其他应用：

碰撞检测：土建施工误差导致现场尺寸不满足装饰施工要求，提前协调解决，拆改土建结构或者调整装饰设计方案；

异形测量放线：先将三维扫描的数据与土建模型全部调整到总包提供的绝对坐标系统中，使用放线机器人进行打点时，通过标靶纸的自动识别确定当前坐标，进而将模型中的已标记点在现场精准确定，确保大面积曲面控制线的连续性、流畅性； 

基层质量检查：基层施工完成后再做一次三维扫描，获取基层的施工误差数据，在面层下单时指导调整面层或者更改基层，避免因安装时才发现问题而延误工期，提升工程质量；

现场数据测量：三维扫描的点云用配套Realworks软件进行全方位浏览，记录带有颜色信息的点云，还原施工前中后的现场情况，并测量现场数据，包括长宽高，面积，体积，角度等，将现场尺寸数据作为进场成本核算的依据； 

施工协调：将现场问题在点云中进行批注，将批注信息共享，或者直接截图发送至外部单位，提高沟通效率。

五、注意事项

扫描过程中要注意经常核对标靶球数目，换站之后要及时挪动箱子及标靶球等物品；

为了尽量少地遮挡待扫描区域，扫描期间人需要距离扫描仪五米以上，并且不能遮挡到标靶球和标靶纸；

扫描完成后将扫描仪关机取下，清洁扫描仪、标靶球等设备之后放入专用箱内保管；

扫描的数据必须储存到全英文目录；

每站扫描的数据大概有150兆左右，一天可以扫70站左右，大概50个房间，所以一天的数据量可能有十几G，一方面需要准备大一些的存储卡用来记录数据，另外就是需要较快的读写速度，最好每天扫描完成后将数据导入计算机中，避免因为存储卡数据量太大影响扫描过程中的读写速度，甚至出错而损坏数据；

非线性的房间集中区域，比如房间在走道两侧，可以在相邻的门口附近先找公共视点，使在尽可能多的房间里可以看到该位置，然后将三个以上标靶球放置在该位置作为连接站， 使每个房间都可以看见至少三个球，这样甚至可以只设一个连接站就可以扫描完四五个房间，极大地提高工作效率；

如果在现场的扫描过程中，没能完全按照规划的路线逐站测量，需要在平面图上标注出来，并且记录好测量站的序号和扫描仪流水号之间的对应关系，尤其是在有支线的测量路线上，方便在计算机上将空间相邻的站点自动拼接；

扫描仪一块电池的正常使用时长为5-8小时，所以即使充满电后也不能完成一整天的连续扫描，可以在午休时间充电一两个小时以满足使用；

如果扫描仪提示低电量而需要回办公室充电或者结束一天的扫描时一定首先在最后一次扫描前在墙上贴好3张以上标靶纸并通过同时扫描上一连接站和标靶纸建立标靶纸和之前扫描的空间的连接关系，之后过来可以通过标靶纸来将新扫描的点云文件连接到之前的点云文件中。

六、效益分析

三维扫描仪的应用，可以提升现场尺寸测量的准确性，并可以根据实测数据进行有效修模，从而提升材料的下单准确性，尤其是异型材料，有效减少返工，缩短异型材料的下单耗时。

七、已应用的典型案例

某工程工期紧，深化设计任务重，智能化涉及专业多，协调配合工作量大，质量标准高，特别是观众厅、前厅等区域工艺造型复杂，空间曲面定位施工难度大，放线精度要求高，不同材质之间交界面处理难。

三维扫描仪的应用，缩短了工期，降低了成本，创造了良好的经济效益，得到了地方领导、业主、监理等各方专家的认可，为装饰BIM和三维扫描技术在大型场馆内装施工应用提供了成功范例。

图7-1 三维扫描点云文件监测点显示

图7-2 三维扫描点云文件碰撞校核

图7-3 三维扫描实景图片尺寸测量与标注