地下管线工程三维激光扫描技术应用

1   项目需求

本工程根据项目需求，采用三维激光扫描去完成施工现场地下管线完工后、回填前的彩色扫描，三维激光扫描与施工进度同步进行，在不同区域、不同施工阶段进行，得到现场管线施工的真实情况，再根据BIM模型验证现场施工内容是否按照设计施工，结合现场安装误差确定修改BIM模型或施工现场，确保一致性，最终得到符合现场安装的竣工BIM模型，用于信息化管理、后期运行维护等。

2   三维激光扫描的工作流程

根据项目情况制订切实可行的三维扫描实施方案，根据施工进度和顺序规划扫描的优先级，与现场测量团队、施工团队进行预扫描讨论并做好扫描前的准备工作；结合现场扫描的范围，提前清除障碍物并架设必要的平台，开展现场扫描工作；现场扫描完成后，将扫描数据在办公室进行处理，形成点云数据模型，将BIM模型与扫描数据集成，经过模型间的数据分析，检查与BIM模型的一致性，输出扫描报告供施工团队参考；施工团队依据规范要求，确定现场整改或BIM模型修改，最终形成与现场一致的竣工模型。

3   三维激光扫描的工作开展

（1）现场勘查。

为了项目实施方案能合理并顺利实施，全面了解项目现场的环境，扫描人员必须到扫描现场进行勘查。

勘查过程中需要注意检查已有控制点的位置、保存及使用情况的可能性。根据扫描对象的形态、空间分布以及扫描需要的精度和要求达到的分辨率确定扫描位置等。根据扫描站点位置考虑扫描数据的拼接方式，并绘制现场草图，对主要扫描对象进行拍照。根据现场勘查及照片信息分析整个扫描过程中的难点，对其作出相应的解决方法。

（2）绘制现场草图。

基于设计图纸和现场勘查绘制扫描现场草图有助于节省时间及确定最佳扫描位置；同时，还能帮助识别可能影响扫描项目的其他物理限制，如障碍物、施工环境。

（3）外业数据采集。

外业扫描是最重要的组成部分。扫描之前要做好全面仔细的方案设计。根据测量场景复杂程度、大小、工程精度要求，制定扫描路线，布置扫描站点信息，确定扫描站数及扫描系统至扫描场景的距离，确定扫描的分辨率和仪器的参数。

外业扫描基本操作过程如下。

1）设备放置。

设备放置主要工作是设备安全地安装在脚架上，放到指定位置进行对中、调平、这些操作需要的时间非常短（图1）。

图1  设备放置

2）设备参数设置。

在确定设备放置无误后，可以打开仪器电源开关（每项任务只需操作一次）。当开机完成后，可以进行扫描参数设置，主要包括项目文件命名、扫描范围、分辨率、扫描质量等。

文件命名。在扫描仪上设置较大的项目时，确定可以分组为扫描群集的区域，从而简化数据拼接过程。为每个扫描项目和项目内部文件夹命名并说明含义。例如，工程编号、客户名称或编号、街道位置。多层建筑项目可以采用以下文件结构（图2）。

图2  扫描文件命名（计算机截图）

扫描参数选择。参数选择时首先考虑项目任务技术要求、现场环境等因素，多数情况下需要有一台仪器能够满足作业要求，但在特殊情况下（比如项目任务量较大、工期较短、扫描对象有特别要求）需要多台仪器参与扫描。结合项目技术要求选择相应的参数配置，比如最佳的扫描距离、每站扫描区域、分辨率、质量等指标。参数选择的原则是能够满足用户的精度需要即可，过高的精度会造成扫描时间的增加、工作效率下降、成本上升、增加数据处理工作量与难度等后果。

扫描分辨率。扫描分辨率是指收集的数据点数及这些点之间的距离。根据所需的精细程度，到获取对象的距离以及到目标的距离来选择分辨率。

扫描质量。扫描质量是指扫描仪为确认点数据而进行的测量次数。增加此设置可提高扫描精度，但也会延长扫描时间。扫描质量还采用降噪设置，降噪是确定扫描点差异由对象细节还是噪声引起的一种算法。

颜色设置。如果扫描区域非常暗或需要较短时间完成扫描工作，则关闭颜色可缩短扫描时间，该项目要求彩色扫描，所以该设置常开。

3）标靶放置。

由于不能在一个地方对一个物体进行全面的测量，这需要扫描仪进行转站，而扫描仪内部有一个独立的空间直角坐标系，所以为了方便后期对齐多站扫描数据，在扫描过程放置特制的标靶球；为了将三维激光扫描数据转换到统一坐标系统（国家、地方或者独立坐标系）下，需要使用全站仪或其他测量仪器配合观测，方便以后的应用，就涉及坐标转换的问题，需要在不同扫描区域放置标靶纸。

4）开始扫描。

当确定仪器参数设置正确、靶标摆放完成后，可以执行扫描操作。仪器在扫描过程中会有扫描进程的显示，完成扫描剩余的时间，如果有问题可以暂停或取消扫描。当仪器扫描结束后，可以检查扫描数据的质量，不合格则需要重新扫描。

5）换站扫描。

当确认前一站相关工作完成无误后，可以将仪器搬移到下一站扫描，与前一站需要相同的工程文件名称、分辨率等特殊指标参数的设置。

确保充分捕获点数据，尽量减少扫描仪位置数可缩短扫描时间。使用现场草图确定最佳扫描位置；将扫描仪放置在固定位置，确保每次扫描相互重叠30%~40%左右；扫描区域应包含多个唯一自然特征目标，从而帮助扫描数据拼接；如果需要扫描标靶的情况下，换站前要规划好下一站位置，要确保下一站也能清楚看见标靶；不一定每次都需要进行完整的360°扫描，具体取决于被测对象。

6）避免下列扫描被测物。明亮 — 高亮表面可能导致扫描噪声增加及测量数据丢失；反射 — 镜子和其他高反射表面增加扫描难度；玻璃 — 光线穿过玻璃时，速度会发生变化；透过玻璃扫描将影响测量值可靠性，应予以避免；水 — 水会导致光线大幅折射，以致无法获得可靠的扫描结果，应予以避免。

（4）内业数据处理

1）原始数据备份。

对于设备扫描数据是存储在SD卡中，外业结束后需要及时导出并进行备份，防止数据丢失，数据导出文件名按作业任务命名，方便后期查找。

2）数据预处理、拼接转换、导出。

现场扫描完成后，把原始扫描数据导入专业软件将各扫描站点的扫描数据进行拼接，点云处理过程中，去除所有非竣工交付物（如脚手架、人员、施工机械、现场杂物、扬尘引起的噪点等）的点云，以保证数据的轻量化，拼接完成后得到最终的点云数据；当软件对数据处理完成后，查看拼接结果报告，发现没有拼接上的数据需要手动注册再次拼接；数据拼接完成后导入控制点地理坐标进行数据坐标转换；最终完成的数据拼接导出。

3）基于BIM模型做对比分析，生成对比报告。

点云数据拼接完成并导出后，再将BIM模型中本次扫描内容导出，最后将点云数据与BIM模型导入专业的软件中进行对比分析；点云数据和BIM模型是同一地理坐标系，在对比分析中，只要将BIM模型设置为参考对象，点云数据设置为测试对象，即可进行3D分析和2D分析，并进行注释；根据比对结果，生成对比报告，提供至现场技术人员进行分析；如果管线安装位置、标高有误，与BIM模型之间的偏差不能满足设计和规范要求，就必须进行施工整改；如果不影响本专业后续及其他专业的施工，并通过设计确认，则选择更改BIM模型，最终保证BIM模型和点云数据的一致性。

图3所示为地下排污管扫描后形成的扫描报告，现场水平及垂直位置与BIM模型虽然有一定偏差，但均在规范要求合理范围内，且不影响其他专业施工，经土建团队、机电团队与业主共同验收合格，所以只需按照管道实际位置修改BIM模型，保证BIM模型与现场的一致性即可。

图3  排污管点云数据与BIM模型对比

排污管分析结果如下。 

现场比模型低83 mm，现场向右（南）偏移39 mm。

现场比模型低80 mm，现场向左（北）偏移82 mm。

现场比模型低30 mm。

现场比模型低44 mm；现场向左（北）偏移196 mm。

4）BIM模型修改。

因为点云数据和BIM模型坐标一致，因此可直接将点云数据链接进建模软件，点云和BIM模型会自动重合。并根据施工团队确认后的三维扫描比对报告对存在偏差的构件进行修改，修改内容包含构件尺寸、形状、位置及材质颜色。

BIM模型修改完毕后和扫描数据做进一步的复核，确保现场与模型的一致性，形成与现场一致的LOD500精度等级的竣工模型，为今后的数字化管理和运维管理提供有利的数据支持。