字 建 造
3 D 激 光 扫 描 技 术 在 土 木 工 程 中 的 应 用 研 究
左 自波 龚 剑
1．上海建工集团工程研究总院 上海 201 1 14；2．上海建工集团股份有限公司 上海 200080
摘要：3D激光扫描技术突破了传统测量方法的局限性，在土木工程领域开始得到应用。基于其应用技术及原理 ，提出
了包括测量重构、质量检测、变形监测等在内的重点应用方向，并阐述了各应用方向的关键技术和难点。结合前期研
究成果和国内外成功应用的案例分析。给出73D激光扫描技术具体可行的应用内容，并对该技术在建设工程中的应用
发展提出了展望，以为该技术的工程应用提供指导。
关键词：土木工程；3D激光扫描；测量重构；质量检测 ；变形监测
中图分类号：TU17 文献标志码：B D0I：10．14144／j．cnki．jzsg．2016．12．035
Applied Research on 3D Laser Scanning Technology in Civil Engineedng
ZUO Zibo GONG Jian’_
1．Engineering General Institute of Shanghai Construction Group Shanghai 201114；
2．Shanghai Construction Group Co．，Ltd． Shanghai 200080
1 工 程 应 用 原 理 及 关 键 技 术
1．1 工程应用 的基本原理
综合3D激光扫描技术在土木工程的研究与应用，其应
用技术及原理可划分为3类：测量重构 、质量检测和变形监
测 (图1)。其原理如下⋯：
1)测量重构 ，即采用3D扫描技术进行测量获取对象
三维点云数据P 通过P 的插值拟合 ，实现被扫描对象三
维模型的重构，其中 ，Pc= }。
2)质 量检 测 ，即通过所 采用3D扫描技术 获得对象
(被扫描对象为生产加工 完成后或运营 、磨损后检测对
象 )三维点云数据P 与被扫描对象的模型 (设计模型或投
入使用前的模型 )坐标P 的比较分析 ，得到被扫描对象设
计与生产或运营期间出厂前的偏差 △ = _尸。1，实现被扫描
对象的质量检测 ，其中，Pd：{X }， {x。 }。
3)变形监测，即通过依次持续变化的三维点云数据P，
(一 时刻被扫描对象点云数据 )与 (t=i+1时刻被扫描对
象点云数据 )比较分析，得到被扫描对象的变化 (变形 )
△ = 一 +l『，其中 ，Pi={xf 而}，Pi+I= ^l,Yi+l 1)。
需要说明的是，测量重构是3类应用的核心 ，是质量检
测和变形监测的基础 ，测量重构主要用于土木工程施工前
的设计策划 ，变形监测主要用于施工期和运营期的安全监
基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目
(1613Z1201601)；上海建工集团重点科研项 目 (14YJK
F—O3)。
作者简介：左自波 (1986一 )，男，硕士．工程师。
通信地址：上海市新骏环路7C：X3-~ (201114)。
收稿 日期：2O16—07—19
圃 建筑施工·第38卷·第
Pc=Ix。．yc．z。} Pa=ix d Ya,z }
萤
局部 放大
@ ③
(a)测量重构 《b)质量检测 (c)变形监测
图1 3D激光扫描的工程应用技术及原理
测 ，质量检测主要用于施工期 、施工竣工质量检测及运营
损伤检测。
1．2 测量 重构技 术
1．2．1 测量重构关键技 术
测量重构通常包括扫描测量 、数据处理 (去噪、修补
优化、坐标转换 、配准和拟合 )和建模等步骤 。为了重构
被测对象三维模型 ，需开展3D激光扫描获取对象三维点云
数据 ，图2所示为常规的扫描类型 ，主要包括外部扫描和
内部扫描2类 。如图2(a)所示 ，在测量扫描过程中 ，由
于扫描对象表面易产生视线遮挡。无法通过一次设站获取
完整覆盖扫描对象 的表面数据 ；如图2(b)所示 ，虽然扫
描视线未被遮挡 ，但是 ，若3D扫描仪 的测程小于被扫描对
象的范围 ，同样无法通过一次设站获取完整覆盖扫描对象
的表面数据 ，并且现有的3D扫描仪在竖向范同内难以实现
360。范围的覆盖 (目前最大320~ )，即被扫描底部存在
左 自波 龚 剑：3D激光扫描技术在土木工程中的应用研究
(a】外部扫描 (b】内部扫描
图2 3D激光扫描视角类型
盲区 ，尽管现有扫描设备均具备对扫描盲区 自动插值拟合
的功能 ，但是 为了精确重构被扫描对象 ，仅设 1个测站不
能保证测量精度。因此 ，不论是哪种扫描类型 ，通常测量
必须通过多站多视 角的扫描方式，扫描完成后通过参考点
(标靶 )将各视角测量的点云数据统一到同一坐标系下 ，
得到完整覆盖三维点云数据 ，此过程称为配准 ，也是测
量重构技术 的关键 。点云 配准 的实质是求取刚体变换矩
阵 ，即满足式 (1)：
．1 ’ minF(Rp ) rain 0 ， 一(疗 + )If (1) J=I =1
式中：产 点云集射 次配准 ；
M一 配准次数；
R——靳 次旋转变换 ；
卜 第 次平移变换 ；
、 PJ ——不同坐标系下射 次配准点云集的第k个
点，点云集中包括N个点。
以P 和P扯点云集为例 ，需要在2组点云集 中找出若干
组对应的特征 ，一般根据这些对应特征，采用基于 自由形
态曲面的ICP(Iterative Close Point) 算法来初步求解最小
值时的只
3D激光扫描技术在土木工程中的应用研究（论文）.pdf
