太赫兹扫描技术在老旧小区改造中的应用

胡霸,胡笳,蒋家梁 ,刘丹,郭阗

摘要：太赫兹扫描技术是测绘的一项新兴技术，它能够完成高精度地数据扫描和实物的三维重建。该技术能够真正做到直接快速的从实物中进行逆向三维数据采集及模型的重新构建，没有任何真正的表面处理，每个数据都直接从目标采集的数据，使得最后处理的数据是真实可靠的。因为技术突破了传统的单点测量方法，其最突出的特点就是精度高、速度快且近似原形，是当今国内外测量方面的热点研究领域之一。相较于传统的测量方法，太赫兹扫描具有效率高、精度大、费用低、安全性好等一系列优点。

关键词：老旧小区，测绘，太赫兹，效率

0  引言

随着时间的流逝，许多居民小区出现了不同程度的外立面老化，配套设施落后，漏水等突出问题。同时随着人们经济条件的提高，对居住环境必然提出了更高的要求，老旧小区的种种弊端与现代人们对美好生活的向往显得格格不入，以至于不能很好的人们的生活需求，所以一些老旧小区的硬件设施亟需进行改造。有计划的对老旧小区进行适应性改造及再利用是大势所趋，而平面图，立面图和剖面图是老旧小区改造的数据来源[1]。

1  工程概况

张家花园老旧小区改造提升项目主要为张家花园5栋建筑的提档升级改造，地上改造面积约1.2万平方米，地下新建车库0.35万平方米。分别是张家花园189#、190#、198#、199#、201#。其中189#楼、198#楼、201#楼均为4层坡屋顶砖木结构的历史保护建筑，内部墙体及楼板需拆除并重新修建钢筋混凝土框架结构，外墙需修缮加固并保留原有历史风貌。

根据重庆市建设工程质量检验测试中心出具的检测报告，189#楼、198#楼、201#楼承重墙或柱表面风化、剥落、砂浆粉化，混凝土保护层因钢筋锈蚀而严重脱落、露筋，木楼梯、木楼板严重腐朽、破损、虫蛀，坡屋顶连接不可靠，墙体表面风化、剥落、砂浆粉化，经综合分析后，将189#楼、198#楼、201#楼房屋危险性等级评定为C级。

2  工程重难点

为方便老旧小区重新设计，制定改造方案，改造工程量初步计算等提供依据，需获得建筑的平面图，立面图和剖面图等基础数据。传统的绘制建筑物平面剖面图的方法有如下几种：一是用皮尺量取建筑物长度，层高等建筑结构相对几何关系进行绘制，这种方法投入的仪器设备少，不受场地影响，但所获得的测量数据少，人工费用高，精度低，效率低，并且所测建筑均为C级危房，测量时存在巨大的安全隐患；二是采用全站仪获取建筑物三维坐标，配合野外绘制的草图并使用相机拍摄图片然后进行绘制，这种方法投入设备多、人员多、工作量大且在人流量、车流量大的地区不易测量，存在一定的人员安全风险。传统的测量技术存在获取旧建筑数据效率低，数据精度不够高且无法准确体现旧建筑立面现状等一些列问题[2]。

太赫兹扫描技术是一种新型的、先进的全自动高精度的立体扫描技术，这种技术颠覆了传统的简单测量方式，并具有高效率、高精度的显著特点，能够通过扫描方式获取建筑物表面的三维点云数据，实现实体真实、完整和精确的三维复制，为快速获取建筑物平面图、立面图和剖面图数据提供了一种全新的技术手段[3]。

3  施工工艺流程

3.1  太赫兹扫描成像系统原理

太赫兹近场扫描成像系统主要可以分为两部分：

1.太赫兹时域光谱仪

太赫兹近场探测系统建立在太赫兹时域光谱系统上，从飞秒激光器出来的光经过分束器BS被分成两路相干光：泵浦光和探测光。泵浦光经过机械延迟线和斩波器后，照射在无偏压光导发射天线，产生太赫兹辐射。系统中使用的太赫兹源是一块大激发面积、无偏压太赫兹光电导天线，这种无偏压天线用于近场系统最大的特点是没有偏压，消除了暗电流等噪声对探测效果的影响。探测光经过一系列反射镜组后，聚焦照射在太赫兹近场探针尖端，探测光用来驱动太赫兹探测器，即近场光导天线探针。太赫兹近场探针使用低温生长的超薄GaAs作基底，基底厚度为1.3µm，将其设计成三角锥形，并将锥形走向的金属线沉积在上面，完成制作。通过调整金属结的方向，可设计出对水平和垂直电场分量敏感的两种探针，分别用于测量横向和纵向电场。探测光路上加有一块分束镜，可以将探针探测过程成像于CCD相机中，进行实时观测[4]。

2.太赫兹近场系统控制系统

近场探针信号进入电流放大器后连接锁相放大器对信号进行锁相放大，参考信号输入为加在产生光路上的斩波器的调制频率。随延时线变化得到完整的太赫兹脉冲波形，对脉冲信号进行傅里叶变换即可得到场的振幅和相位信息。样品台上放固定有一个高精度的光学距离传感器，可实时感应探针与样品的间距，以避免探针触碰到样品而损坏。系统软件则通过控制单元反馈的样品-探针横向纵向位置而实时控制XYZ-三维平台移动，同时控制步进电机协同工作，逐点扫描太赫兹时域谱。太赫兹近场系统软件包也可以实时分析近场成像的三维数据[5]。

整个探测端安装在三维平移台上，探针可实现三维逐点扫描，进而能探测全局空间场分布和局部目标位置的场信息。系统使用太赫兹光导天线探针不仅可以测量近场信号，它还可以直接放置在距离样品一定距离的位置，从而测量透射的太赫兹远场信号[6]。基于传统的光导天线TDS系统搭建的近场扫描成像系统，其太赫兹的激发及探测原理与传统的TDS系统一样，不同之处在于近场扫描系统中采用无偏压天线作为太赫兹发射器，微探针作为探测器，联合三维样品台，能够实现探测部分的三维扫描；并且通过探针针尖与近场的耦合作用，探针可以直接靠近样品表面，能直接在近场探测到太赫兹的水平分量及垂直分量(如表面波)，具有测量倏逝波的能力[7]。

3.2  扫描数据采集及处理

张家花园老旧小区改造提升项目测区范围不是很大，我们进行了实地勘察，现场选择路线，确定扫描站点。分别在189#楼、198#楼、201#楼外各选择一遮挡物较少的外置作为扫描站点，每个站点仅用时几分钟，即完成了对仪器周边360度全景扫描。并将扫描数据发往超算中心，短短几分钟时间，便得到了张家花园老旧小区改造提升项目的三维模型，通过检查建筑物的几何尺寸信息，发现其误差范围为毫米级。有了三维模型，便可通过计算机轻易得出建筑物的平面图、立面图和剖面图；也可以清晰观察到建筑物的外观缺陷，为后期修缮提供了巨大便利。

4  结语

在今后的一段时间内，老旧小区改造的份额将逐渐的增多。而太赫兹扫描技术极大的提高了对外业的数据采集，减小了工作人员的工作量，提高了测量数据的精确性，为科学决策提供了真实数据，必然在老旧小区中应用的越来越为广泛。

参考文献

[1]刘娟、黄海波.古建筑测绘虚拟仿真实验设计与实现——以上营村灵真观为例[J].2020.04.25；

[2]蔡锐.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用[J].2020.11.06；

[3]佚名.三维激光扫描技术应用[EB/OL].2021-08-12；

[4]杨娇.探讨新型测绘技术在历史建筑中的应用[J].2021.09.25；

[5]郭潇然.全站仪在建筑测绘中的有效利用研究[J].2020.07.10；

[6]张雪峰、莫畏.历史建筑数字化测绘研究方法[J].2013.08.15；

[7]周美川.三维激光扫描技术在古建筑测绘绘图中应用[J].2021.02.20。