三維雷射掃描技術在建築中的應用

2020-12-01 建設工程教育網

  1 前言

  建築學是研究建築物及其環境的學科,它旨在總結人類建築活動的經驗,以指導建築設計創作,構造某種體形環境等等。建築學服務的對象不僅是自然的人,而且也是社會的人;不僅要滿足人們物質上的要求,而且要滿足他們精神上的要求。因此社會生產力和生產關係的變化,政治、文化、宗教、生活習慣等等的變化,都密切影響著建築技術和藝術。

  建築是人們用石材,木材等建築材料搭建的一種供人居住和使用的物體,如住宅,橋梁,寺廟等等。廣義上來講,園林也是建築的一部分。有人說過:上帝一次性給出了木頭,石頭,泥土和茅草,其他的一切都是人的勞作……這就是建築。建築是凝固的音樂,建築是一部石頭史書。

  我國的建築在解放以前呈現出中西交匯、風格多樣的特點。新中國成立以後,中國建築進入新的歷史時期,大規模、有計劃的國民經濟建設,推動了建築業的蓬勃發展。中國現代建築在數量、規模、類型、地區分布及現代化水平上都突破近代的局限,展現出嶄新的姿態。這一時期的中國建築經歷了以局部應用大屋頂為主要特徵的復古風格時期、以國慶工程10大建築為代表的社會主義建築新風格時期、集現代設計方法和民族意蘊為一體的廣州風格時期,自上世紀80年代以來,中國建築逐步趨向開放、兼容,中國現代建築開始向多元化發展。

  儘管如此,歷史遺留下的古建築仍是我們的歷史遺產。雖然他們的建築風貌沒有現在的時尚、完美,作為傳統的建築文化藝術,對於現在和將來都具有偉大的歷史紀念意義。因此,對於過去的具有紀念意義歷史古建築,各地政府及主管部門都在積極保護和重建,相關部門也在不斷地研究重建和恢復技術。

  2 建築物恢復與重建的技術需求

  我國的古建築都是有著很悠久的歷史,是我國古代人民的智慧結晶。如舉世聞名的故宮、天壇、平遙古城、蘇州園林等。他們經受了歷史的演變,也經受了戰爭的洗禮,如今有些已經到了修繕的階段,有些需要重建。

  建築物的恢復與重建是建築領域中一項主要技術和研究課題。過去由於種種原因被破壞的那些具有特殊歷史意義的古建築已經永遠地消失在歷史長河裡。隨著科學技術的發展與應用,特別是數字信息與三維模型技術的出現,開創了建築恢復與重建的新局面。

  所謂建築物的恢復即是將已被破壞的建築物恢復以往的面貌,使其保持其原來的風姿。重建則是對於被破壞的建築物進行重新建設,但不一定保留其原來的風格。無論是恢復和重建都要依據已有的資料科學地建設。否則,就很難達到恢復和重建的效果與目標。因此保留具有歷史意義的建築物原貌資料是今後重建和修繕的主要依據。

  傳統的資料都是一些歷史照片,只能目視判斷古建築的輪廓、形狀,其真正的數據資料如形狀大小等不能確定,給修復和重建工作帶來了很大的困難,甚至使得一些具有歷史意義的建築物不能修復和重建。

  新的時期新的技術給建築物的修復帶來了新的技術。

  3 三維雷射掃描技術的應用

  三維雷射掃描技術是進入二十世紀以來發展起來的技術,是測繪領域繼GPS技術之後的又一次技術革命,它突破了傳統的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優勢,因此被稱為實景複製技術。三維雷射掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點雲數據,可以用於獲取高精度高解析度的數字物體表面模型。近年來隨著其技術的多領域應用,極大地引起了建築行業的廣泛關注。

  三維雷射掃描技術是一門新興的測繪技術,能夠完整並高精度地重建掃描實物數據。該技術可以真正做到直接從實物中進行快速的逆向三維數據採集及模型重構,無需進行任何實物表面處理,其雷射點雲中的每個三維數據都是直接採集目標的真實數據,使得後期處理的數據完全真實可靠。由於技術上突破了傳統的單點測量方法,其最大特點就是精度高、速度快、逼近原形,是目前國內外測繪領域研究的熱點之一。三維雷射掃描技術目前已在眾多領域得到了廣泛應用,尤其在建築設計以及恢復重建方面,它可以深入到任何複雜的現場環境及空間中進行掃描操作,並直接將各種大型的、複雜的、不規則、標準或非標準等實體或實景的三維數據完整的採集到計算機系統中,進而快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種製圖數據,同時,它所採集的三維雷射點雲數據還可進行各種後處理工作如:測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監測、虛擬實境、…等,它是各種正向工程的對稱應用即逆向工程的應用工具。

  三維雷射掃描技術不同於單純的測繪技術,它主要面向高精度逆向三維建模及重構。眾所周知傳統測繪技術主要是單點精確測量,但用它做建模工作時就愛莫能助了,因為描述目標結構的完整屬性需要大量的測繪點採集,少則幾萬個,多則幾百萬以上,這樣才能把目標完整的搬到電腦中來,所以,用現代高精度傳感技術做輔助就解決了這個問題,三維雷射掃描技術就是這類全自動高精度立體掃描的技術。

  如下圖所示就是三維雷射掃描技術在實際工作中獲取實物的立體數據的過程。首先在實物附近架設三維掃描儀,對目標物進行三維掃描,將掃描的數據點雲進行內業處理,建立物體表面模型(DSM),最後經著色形成高精度的三維實物數據模型。長期保存在數據介質中,供以後建設、設計和恢復重建時參考應用。

  4 結論

  三維雷射掃描技術為快速、精確三維重建提供了強有力的手段,圓滿解決了本工程的技術難題,為施工單位爭取了時間,尤其對於景區文物類的實體對象,因其是非接觸式測量,所以不會對文物構成任何的傷害;此外,對遊客的遊覽參觀也幾乎沒什麼影響。在以後類似的工程項目當中,應該積極大力推廣三維雷射掃描技術的應用。

  建築工業化體系的運用,加速了大量性建築的發展。電子計算機技術進入建築設計領域所引起的設計方法論的研究勢必深刻地影響建築學的發展。社會的發展,人口的密集,城市化進程的加快,產業結構的變化,使城市規劃和環境問題十分突出,成為當代建築師、規劃師和園林設計師面臨的共同課題,同時也為建築學開拓出一個前所未有的廣闊天地。

  三維雷射掃描技術能在不觸及文物的條件下進行測繪研究,從而減少保護幹預中的不必要破壞,提高復原古貌的準確性,在未來古建築和其他遺址的復原研究中,有著廣泛的應用前景。

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