CN106524920A - 基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用 - Google Patents

基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，涉及激光扫描测量技术领域。本发明基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，是基于BIM的实测实量技术，将传统实测实量仪器替换成三维扫描仪，并包括：基于BIM的实测实量数据类型制定、基于BIM的实测实量数据采集及基于BIM的实测实量数据处理等。本发明通过对传统实测实量改进及采用国际先进技术、仪器等手段极大提高测量的精准度及数据应用，具有增进效率、提高质量、确保安全为主要特点。符合当前建筑工程建设发展趋势，并对于建筑工程质量的提高具有极大推广研究性作用。

Description

基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用
技术领域
本发明涉及激光扫描测量技术领域，具体指一种在建筑工程中应用基于三维激光扫描的实测实量。
背景技术
建设工程实测实量是指根据相关质量验收规范应用测量工具，通过现场测试、丈量而得到的能真实反映建筑物质量数据，把工程质量误差控制在规范及设计允许范围之内的一种方法。实测实量贯穿于工程建设的整个过程，且是保证工程质量中不可缺少的一环。现有工程建设过程中实测实量主要还是依靠全站仪、电子经纬仪、激光扫平仪、水准仪、钢卷尺、靠尺组合工具、游标卡尺、阴阳角尺、吊线、等常用测量仪器。因为测量仪器的限制，建筑工程的实测实量还沿用相对老旧的数据采集方式，通过人工对所要测量的部位进行一个点及一个面的数据采集，数据的输出方式主要依靠人工填写或二维数据输出的方式进行，并对相关数据进行人工评估。在实施的过程中需要花费大量的人力物力来进行实测实量工作。
如所周知，基于BIM的实测实量技术主要通过改变实测实量中使用的工具，将传统实测实量仪器替换成三维扫描仪，输出结果也由二维平面数据转变成三维模型的点云数据。通过对三维点云数据的分析处理，结合BIM模型，使工程建设过程中的实测实量完全以一种数字化、可视化的效果呈现。
某国际航空服务中心项目的核心项目，将引领国内示范性的新标准，特别是主楼与附楼之间的钢结构飘架系统对安装的精度要求极为严格。由于高层建筑对建筑内部的实际数据要求的提高，并产生施工完成后完整的竣工测量信息提供交付于物业进行应用的需求，只有高效且精准的测量技术，完整的采集竣工数据信息，才能完成交付。因此传统的实测实量精度低，效率差的不足就暴露出来了。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用。
本发明基于三维激光扫描的实测实量的概述
如所周知，基于BIM的实测实量技术主要通过三维扫描仪作实测实量，输出为三维模型的点云数据。通过对三维点云数据的分析处理，结合BIM模型，使工程建设过程中的实测实量完全以一种数字化、可视化的效果呈现。
基于三维激光扫描实测实量的实施方案
一、基于BIM的实测实量数据类型定义
基于BIM的实测实量输出的数据都是点云数据，点云数据不但包含了x，y，z点的信息，还包括了RGB颜色信息，同时还有物体反射率的信息。
这样全面的信息给人一种非常真实的可视化效果，是传统的实测实量做不到的。
二、基于BIM的实测实量数据采集
基于BIM的实测实量的数据采集主要使用三维激光扫描仪。
其包括，通过FARO三维扫描仪采集点云数据；
通过全站仪采集FARO三维扫描仪参照位置。
三维激光扫描可以直接，并以快速、准确地对各种大型的、复杂的、不规则、不标准或者标准的实体物体或实景的三维数据进行完整的采集，从而可以快速重构出目标实体的三维模型和线、面、体、空间等等各种制图数据。获得物体的空间三维模型信息，然后对采集模型的数据信息进行进一步处理和分析。
激光扫描仪扫描所得到的数据是全离散的矢量距离点，也即是点云。所述点云(points cloud)的每个像素包含的通常是距离值和颜色信息(或者角度值)。
距离图像(或距离值和颜色信息或者角度值)，其本身就包含了大量的信息，可以直接用来构建高精度的DEM；但是这样的点云数据没有包含明显的拓扑关系和形体信息，所以三维激光扫描仪使用时必须与其他传感器(如CCD等)结合。
三、基于BIM的实测实量数据处理
基于BIM的实测实量的数据处理首先要对三维激光扫描系统获取的点云数据进行去噪、点云多视化对齐、数据的精简和压缩、曲面曲线的重建等部分。
所述对数据去噪处理是指删除点云数据存在的对后续构建物体模型无用的数据信息。通常在对目标物体扫描过程中，由于人为的或者环境因素的影响，使得扫描数据存在大量无用信息，这些信息就是要删除的噪声点。比如正在移动的人、车辆以及周围的非目标物体等，也会被扫描仪扫描采集。这些数据会对后续数据处理过程造成影响，就要删除。
所述多视对齐指在一些需要对目标物体在不同位置多角度进行扫描测量时，由于不能一次获得所有的数据，就要对分次测量的数据进行点云对齐和拼接处理。通常这些物体都是形状比较大，而且复杂的。
所述点云数据精简是指在不对曲面重构结果造成影响的前提下，并保持一定精度对海量点云数据进行精简。点云数据精简方法常用的有：平均精简就是把原始点云数据每n个点中保留1个，按距离精简就指将原始点云数据某些点删除以后，剩下的点云中点与点之间的距离都大于设定的距离值。
曲面重构(建)是将扫描的点云数据用准确的曲面表示出来，真实的还原扫描物体本身的面目。
常用的曲面有：三角网格、Coons曲面，Bezier曲面、B样条曲面、NURBS曲面，散乱数据插值曲面、CNSBS曲面等。点云数据曲面重构以后，接下来就可以进行三维重建，进而还原扫描物体的本来面目。到此，三维激光扫描点云数据的处理步骤也基本完成。
如上所述，本发明基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，是基于BIM的实测实量技术，将传统实测实量仪器替换成三维扫描仪，并包括：基于BIM的实测实量数据类型的选择、数据采集及数据处理等，结合BIM模型，进行后期处理，使工程建设过程中的实测实量完全以一种数字化、可视化的效果呈现。
附图说明
图1为本发明三维激光扫描测量自定义坐标系图；
图2为本发明实施例的基于BIM的实测实量数据处理流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述
基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，某国际航空服务中心(X-1)地块的1号的楼为对象，对混凝土外观进行了一次位置与尺寸偏差的实测实量工作，以判定1号楼的位置及尺寸偏差是否能满足安全性能及安装、使用功能的要求。
选用FARO三维扫描仪进行目标现场数据采集工作，并用徕卡全站仪为现场选取的35个标靶位置进行平面定位，整个现场采集数据(如附表)。总计用时5小时12分。
附表
点名 X坐标 Y坐标 H高程
控制点1 -7807.339 -1070.958 0.668
控制点2 -7783.858 -1072.604 1.635
控制点3 -7782.633 -1072.348 8.683
控制点4 -7775.227 -1073.916 1.655
控制点5 -7816.576 -1082.988 1.911
控制点6 -7798.140 -1088.436 1.956
控制点7 -7789.425 -1092.253 2.038
控制点8 -7784.567 -1082.538 1.841
控制点9 -7765.720 -1088.666 1.177
控制点10 -7764.822 -1074.460 1.661
控制点11 -7732.996 -1089.466 1.398
控制点12 -7755.474 -1124.568 1.450
控制点13 -7731.445 -1077.504 1.407
控制点14 -7729.977 -1131.285 2.172
控制点15 -7727.472 -1141.544 1.341
控制点16 -7770.969 -1149.554 1.575
控制点17 -7780.588 -1158.440 1.072
控制点18 -7816.476 -1170.328 0.883
控制点19 -7807.609 -1169.973 0.213
控制点20 -7808.730 -1137.908 1.915
控制点21 -7855.387 -1145.174 0.467
控制点22 -7848.827 -1128.714 0.891
控制点23 -7845.748 -1133.100 0.695
控制点24 -7864.384 -1120.440 0.771
控制点25 -7832.139 -1103.505 1.283
控制点26 -7838.378 -1071.059 0.805
控制点27 -7826.209 -1062.009 1.505
控制点28 -7825.846 -1060.026 1.841
控制点29 -7821.216 -1041.353 0.360
控制点30 -7811.507 -1034.610 0.388
控制点31 -7807.296 -1034.448 0.483
控制点32 -7779.632 -1128.933 2.097
控制点33 -7777.398 -1138.441 2.149
控制点34 -7780.875 -1141.967 1.210
控制点35 -7790.119 -1140.662 0.956
本发明实施例的基于BIM的实测实量数据处理流程(如附图2所示)。
将SD卡中的原始数据导入FARO SCENE中进行数据处理，如：拼接、球体拼接、单站噪点处理、整体拼接、整体拼接检测。将所测的36个绝对坐标点用txt文档编辑好，编辑好后将后缀名改为xyz，导入到拼接好的scene文件中，将原有的scene文件锁定，在总文件中重新布置扫描，将导入的36个绝对坐标点与原有的文件匹配，将拼接好的数据转换到36个绝对坐标点所在的坐标系中，即绝对定位。并可对点云数据格式进行自定义，生成BIM常用软件可读取的点云数据格式。选用Geomagic Control软件对三维扫描仪生成的点云模型与采用Revit建成的模型进行对比进行数据分析，软件自动生成色谱图及分析报告，已判断国际航空服务中心(X-1)1号的位置及外观尺寸是否能满足安全性能及安装、使用功能的要求。
通过最后的色谱分析图，得到了本结构的尺寸偏差，在监理验收时可以比较直观的看出可能影响结构构件的受力性能及使用功能的地方，为后期监理(建设)单位、施工单位等各方共同确定尺寸偏差对结构性能和安装使用功能的影响程度提供了事实意见(如附图2所示)。
Geomagic Control(原Geomagic Qualify)是业界最全面、强大和最精确的三维计量解决方案的自动化平台，可以实现迅速检测产品的计算机辅助设计(CAD)模型和产品的制造件之间的差异。针对检测测量和质量验证的流程，Geomagic Control利用一系列广泛的计量工具，如非接触式扫描获取数据使制造商能显著节约时间并提高精度，同时还具备轻松地对复杂任务进行自动化处理的能力。形位公差、硬测和方位检查功能够加快测量速度并提高其准确度，而且Geomagic Control还可以智能创建三维PDF报告。GeomagicControl自动化平台提供了对几乎每一个过程的简化能力，在测量和记录方面减少了人力交互，减少测量时间并明显增强R&R结果。
本发明基于BIM实测实量技术优越性
传统的实测实量方法，全站仪等仪器进行点信息采集，采样率低，十分耗时，延长了施工验收时间，影响进度；基于理想的几何体”假设，引入所测容量和真值间误差；点间距过大，拟合法近似计算，基于截面三角形面积积分法，过滤建筑空间真实信息，不能反映建筑真实数据；同时没有3D数据信息文件，不能从图像中获取尺寸信息。
基于BIM的实测实量，引入三维激光扫描技术作为数字化检测手段，针对对建筑物的大尺寸、大空间、空间多样性及复杂性的特点，结合BIM模型，具有很强的应用价值。
三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，可获取任何复杂的建筑现场环境及空间目标的三维立体信息，快速重构建筑的三维信息数据及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，再现建筑物真实的形态特性。在现代工程建筑领域，快速准确获取建筑三维数据，不但极大程度上丰富了三维数据展示的效果，由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏以及拟补传统测量手段的测量死角。实测实量的扫描数据结合BIM模型，实现数据全面的精确地可视化反映，为大型建筑工程的质量分析提供新的手段，提高监理工作效率。
基于BIM的实测实量技术的三维激光扫描技术优越性，主要体现在以下几方面：
(1)节约时间
实测实量所需的时间明显减少，搭建设备只需几分钟，扫描一站，最快速数据采集，976000点/秒，360度扫描仅需5分钟，特殊建筑物空间，补充扫描也只需几分钟，从而设计效率提高和建造周期缩短。
(2)提高质量
三维激光扫描仪，基于建筑空间的真实形态，发挥三维激光扫描仪点云优势；可以提供比数码相机高100倍的分辨率，精密点云数据，最大程度上贴近建筑物真实数据：
1)详尽记录目标全要素信息(影像、颜色、形状、尺寸、坐标)；
2)系统准确度+/-2mm；
3)扫描不留死角(水平360°和垂直320°的全视角范围)；
4)最长距离的相位式扫描仪：扫描距离大。
利用专业三维检测软件，可以融合在BIM模型数据中，实现：
1)与设计模型比对的数据信息；
2)实际数据与设计数据，根据差值的大小用不同颜色分区表示，对实际建筑物实测实量的数据进行可视化处理。
从而准确和详细的信息可以提升监理的实测实量工作效果，对工程质量评定及解决方案提供基础数据，体现监理的服务价值。
(3)保证安全
三维激光扫描技术，工作环境适应性强，无需外部光源，电池确保扫描仪独立工作，三维扫描仪在黑暗的空间能自如工作。可以远程遥控操作扫描仪，适合固定式自动化检测。
所需的人员和耗时大大减少，现场工作量大大降低，因为分析扫描数据只需在办公室内进行，通过WLAN和iPod Touch无线控制扫描仪，使监理人员及相关参建者减少现场作业安全风险。
综上所述，本发明基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，以方便监理在验收时可以比较直观的看出可能影响结构构件的受力性能及使用功能的地方，为后期监理(建设)单位、施工单位等各方共同确定尺寸偏差对结构性能和安装使用功能的影响程度提供事实依据。通过对传统实测实量改进及采用国际先进技术、仪器等手段可极大提高测量的精准度及数据应用，符合当前建筑工程建设发展趋势，并对于建筑工程质量的提高具有极大推广研究性作用。

Claims (4)

1.一种基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，其特征在于，包括A.根据施工情况，基于BIM的实测实量数据类型制定；B.基于BIM的实测实量数据采集；C.基于BIM的实测实量数据处理。
2.如权利要求1基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，其特征在于，所述A.基于BIM的实测实量输出的数据类型为点云数据，所述点云数据包含了x，y，z点的信息，RGB颜色信息，以及物体反射率的信息。
3.如权利要求1基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，其特征在于，所述B.基于BIM的实测实量的数据采集，主要使用三维激光扫描仪：
B1.通过FARO三维扫描仪采集点云数据；
B2.通过全站仪采集FARO三维扫描仪参照位置。
4.如权利要求1基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用，其特征在于，所述C.基于BIM的实测实量数据处理，包括
C1.实测点云数据导入FARO SCENE；实测参考球坐标数据导入FARO SCENE；
C2.导入数据，建立实测坐标系；
C3.生成绝对坐标系实测点云模型；通过Revit建成设计模型；
C4.采用Geomagic Control软件加载实测模型与设计模型；
C5.根据坐标系合并C3.和C4.模型；
C6.根据设计模型生成偏差色谱图；
C7.根据色谱图了解结构偏差；
C8.根据结构偏差了解结构质量。
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