編者按：隨著科技的發(fā)展，儀器的更新，測繪的方式也在發(fā)生著改變。三維激光掃描技術(shù)是誕生于20世紀(jì)90年代的一種新興測量技術(shù)，又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)單點獲取數(shù)據(jù)的方式，被譽為是繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次革命。本文介紹了三維激光掃描技術(shù)以及該技術(shù)在增城區(qū)工程項目中的應(yīng)用情況，指出基于三維激光掃描技術(shù)建立的三維模型具有精度高、客觀性強、真實感高等優(yōu)點，可以為數(shù)字城市提供重要成果。

——鐘偉華 傅嘉俊 史經(jīng)

三維激光掃描技術(shù)簡介

數(shù)字城市是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，對城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時空和多種類三維描述的系統(tǒng)。在數(shù)字城市地理空間框架中構(gòu)建三維模型，有助于提高城市的綜合管理水平，提升城市的形象。構(gòu)建三維模型的數(shù)據(jù)常用的三種方式有：采用全站儀等傳統(tǒng)儀器測量后手工建模得到三維精細(xì)模型；以三維激光掃描方式實現(xiàn)三維超精細(xì)建模；以傾斜攝影測量的半自動建模方式實現(xiàn)快速建模。其中,三維激光掃描技術(shù)以其優(yōu)異的性能正逐漸成為獲取三維空間數(shù)據(jù)的一種重要手段。

1、三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描測量技術(shù)采用的是極坐標(biāo)幾何定位原理，利用激光作為信號源，對目標(biāo)按照一定的分辨率進(jìn)行掃描，直接獲取地物目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)信息，實現(xiàn)了從三維現(xiàn)實世界到三維數(shù)字化世界的直接轉(zhuǎn)換。激光束從儀器的鏡頭散發(fā)出來照射到目標(biāo)物上，反射回來后被儀器接收，通過儀器內(nèi)置的硬件和程序可以自動計算每條激光照射點的坐標(biāo)。所有這些照射點就構(gòu)成了點云數(shù)據(jù)，這些點云數(shù)據(jù)就猶如拼圖一樣，是由相互獨立的個體組合在一起構(gòu)成的一個整體，如果單獨看某個點（某一片拼圖），我們是很難判斷出整體是什么的,只有組合在一起，我們才能識別出這個點云數(shù)據(jù)代表的是房子還是其他的物體。當(dāng)然點云數(shù)據(jù)要比拼圖更加細(xì)致和密集。

2、三維激光掃描系統(tǒng)分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，三維激光掃描系統(tǒng)分類也有一定的區(qū)別。主要根據(jù)掃描載體、掃描距離、激光束的發(fā)射方式來分。按照載體的不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為地面、車載、機載等類型。如圖1所示。

3、三維激光掃描技術(shù)優(yōu)點

三維激光掃描技術(shù)可進(jìn)行大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)采集，與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比較，具有掃描速度快、主動性工作、高精度、高密度、可量測性等優(yōu)點，另外還整合了激光反射強度和物體色彩等影像數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置激光信號處理單元和精密校準(zhǔn)的CCD相機可以獲取目標(biāo)表面的激光強度信號和真彩色信息，為目標(biāo)的識別和分類提供了更多途徑；與攝影測量技術(shù)相比較，三維激光掃描即使在夜間也可通過激光獲取精度分布均勻、無畸變的三維空間點云數(shù)據(jù)，具有可實時三維觀察、自動匹配、全天時工作等優(yōu)點。詳見表1。

三維激光掃描技術(shù)在構(gòu)筑數(shù)字城市中的應(yīng)用

構(gòu)建數(shù)字城市要以城市數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。由于三維激光掃描技術(shù)具有測量的效率高、范圍廣等優(yōu)點，可以為數(shù)字城市提供基礎(chǔ)的三維數(shù)據(jù)。另外基于點云數(shù)據(jù)制作的三維模型，以其精度高、客觀性強、真實感高成為了數(shù)據(jù)城市建設(shè)中的重要成果。

基于三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字城市中建模的技術(shù)流程包含資料準(zhǔn)備、制定掃描方案、外業(yè)掃描、照片拍攝、點云處理、點云建模等。具體流程（如下圖2所示）。

制定掃描方案首先要根據(jù)測量對象的性質(zhì)、大小以及成果精度的要求，確定何種掃描方式，并設(shè)置掃描的范圍和掃描的密度等參數(shù)。由于儀器和外界環(huán)境的影響，點云數(shù)據(jù)會出現(xiàn)噪點現(xiàn)象，進(jìn)而影響到模型的精度，所以在拼接前需要進(jìn)行去噪處理，將冗余的點云剔除。點云建模目前用的較多的軟件是3D max，它是根據(jù)將被測物體提取出的線型數(shù)據(jù)，通過拉伸、扭曲、挖空等功能生成立體模型。未經(jīng)紋理貼片的模型，真實感較差，只有將處理過的彩色照片貼片后，模型的直觀性、客觀性和真實性才會提高。（如圖3所示）。

三維激光掃描技術(shù)在我區(qū)工程項目中的應(yīng)用

廣州市增城區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃與測繪地理信息研究院（以下簡稱：城鄉(xiāng)院）使用Trimble SX10（以下簡稱：SX10）作為主要的地面三維激光掃描儀，如圖1所示。SX10的掃描距離為0.9~350m，掃描精度為±6.25 mm。自城鄉(xiāng)院引入SX10三維激光掃描儀以來，已經(jīng)在我區(qū)多個重點測量項目中得到了應(yīng)用。包括城市老舊小區(qū)的微改造測量、建筑規(guī)劃條件核實測量、古建筑修繕測繪、土方測量、廣州地鐵21號線竣工測量等。以下做簡要介紹：

1、城市老舊小區(qū)微改造測量

微改造中的測量內(nèi)容主要包括四個方面：建筑外立面測量、地形測量、管線測量、特征點測量，其中建筑外立面測量的工作量占比最大，耗時最長。以去年我區(qū)20個老舊小區(qū)微改造為例，建筑外立面的面積約有389665平方米。如果采用全站儀單點采集的方式進(jìn)行測量，不僅作業(yè)效率低、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，而且繪圖直觀性低，容易出錯。

為保證立面改造工作的順利推進(jìn)，按時按質(zhì)提交數(shù)據(jù)成果。城鄉(xiāng)院采用了SX10掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，結(jié)合使用測站設(shè)立與自由設(shè)站兩種方法，高效的完成了外業(yè)工作。外業(yè)完成后，內(nèi)業(yè)通過TBC軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、著色、切片處理，最后導(dǎo)出每幢建筑各側(cè)面的點云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上用直線繪制建筑的立面圖。成果如下圖所示。

2、建筑規(guī)劃條件核實測量

傳統(tǒng)的規(guī)劃條件核實測量主要包括外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)繪圖兩大工作，外業(yè)工作主要通過全站儀基于控制導(dǎo)線采用極坐標(biāo)細(xì)部測量法完成的。內(nèi)業(yè)工作主要是繪制建筑平面位置關(guān)系圖，繪圖依據(jù)來源于外業(yè)測量數(shù)據(jù)、草圖、竣工圖紙等。傳統(tǒng)的外業(yè)測量方法具有靈活性較高，自動化程度較低的特點，較適用于簡單、規(guī)則的建筑物。城市化進(jìn)程的加快，越來越多外型新穎、獨特的建筑聳立在城市中央。不規(guī)則建筑給規(guī)劃條件核實測量帶來了一定的挑戰(zhàn)。以凱達(dá)爾樞紐國際廣場為例，東西塔樓建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造不規(guī)則，裙樓每層輪廓各異，中間橫穿穗莞深城際軌道，驗收難度大。SX10三維激光掃描技術(shù)使外業(yè)數(shù)據(jù)采集突破傳統(tǒng)的單點采集模式，數(shù)據(jù)量的獲取達(dá)到每秒26600個點，能自動采集高密度3D 掃描數(shù)據(jù)，極大地克服特征點采集的問題。城鄉(xiāng)院采用了SX10掃描儀對凱達(dá)爾樞紐國際廣場進(jìn)行掃描，外業(yè)工作耗時2個工作日，順利完成了數(shù)據(jù)采集的工作。建筑三維點云數(shù)據(jù)如圖5所示。內(nèi)業(yè)經(jīng)過點云去噪、拼接、切片后結(jié)合建筑竣工圖紙制作建筑平面圖。成果如圖6所示。

3、古建筑修繕測繪

憑借非接觸的方式和主動測量方法，三維激光掃描已成為文物修繕與維護的主流技術(shù),可以快速和高精度地將文物和古建筑的三維空間信息轉(zhuǎn)換成電腦便于處理和建模的三維立體數(shù)據(jù)。城鄉(xiāng)院承攬了增城區(qū)夏街大道石王廟的修繕測繪工作，工作內(nèi)容包括三維掃描測量及建筑現(xiàn)狀平、立、剖面（dwg格式）的繪制。古建筑修繕掃描不僅需要采集建筑外輪廓的信息數(shù)據(jù)，還要獲取建筑內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)及建筑破損的位置、大小等信息，為修繕工作和修繕的費用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本次外業(yè)掃描作業(yè)步驟首先是在石王廟的廟堂和門口處分別布設(shè)了A、B兩個通視的控制點，通過SX10自動跟蹤并捕捉棱鏡中心的功能獲得了兩點之間的相對位置。然后再分別在兩點上通過“全站儀設(shè)站法+自由設(shè)站法”采集建筑點云數(shù)據(jù)。A、B兩個控制點的作用是將建筑內(nèi)部點云數(shù)據(jù)與外輪廓點云數(shù)據(jù)拼接在一起。內(nèi)業(yè)處理則是把切片后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，用線段捕捉建筑的外輪廓和破損處的點云，制作平、立、剖面圖。成果如圖8所示。

4、土方測量

土方表面數(shù)據(jù)點采集的速度、精度以及采集點擬合目標(biāo)表面的精細(xì)程度將直接影響土方量計算的效率和精度。城鄉(xiāng)院應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)開展天和苑項目的土方測量工作，現(xiàn)場技術(shù)員使用SX10掃描測量+RTK測量的方法采集了海量的土方點云數(shù)據(jù)，如圖9所示。由于現(xiàn)場地表有雜草、樹木等附著物，這些附著物的點云數(shù)據(jù)如果未經(jīng)剔除將會影響土方量的準(zhǔn)確計算。故在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，要進(jìn)行點云數(shù)據(jù)分類，將地表的點云數(shù)據(jù)提取，如圖10所示。計算土方量的測量點間距一般為5m或10m，而SX10掃描的點云密度甚至達(dá)到了毫米級，如果點云數(shù)據(jù)未經(jīng)采樣，雖然最后土方計算的準(zhǔn)確度高，但數(shù)據(jù)處理的效率卻降低了，故還需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，采樣間距設(shè)置為5m。最后將采樣后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS或其他軟件，通過構(gòu)建TIN和設(shè)置設(shè)計高程面，即可計算土方量，如圖11所示。

5、地下空間測量等領(lǐng)域

地鐵地下線路段的測量屬于地下空間測量領(lǐng)域，具有作業(yè)空間狹小，缺乏光照，視線差的特點。如果采用傳統(tǒng)的測量方式需要用手電筒打燈照明，每一次設(shè)站和測量都需要人員照明輔助。SX10掃描儀采用脈沖測距法，具有自動跟蹤捕捉棱鏡、主動性工作的特點，在黑暗的環(huán)境中依然可以獲取目標(biāo)點的空間位置信息。立體的三維點云數(shù)據(jù)能直觀地反映整個隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，便于繪圖人員選取軌道的中心點和繪制隧道的斷面圖，如圖12所示。

總結(jié)與展望

總體來說 ，三維激光掃描技術(shù)建立的模型具有真實性、準(zhǔn)確性的優(yōu)勢，但由于獲取點云數(shù)據(jù)量龐大，建模自動化程度不高等因素，該技術(shù)在大范圍掃描建模時的效率和質(zhì)量仍待提高。如何利用數(shù)據(jù)實現(xiàn)快速自動化建模并且保證在該過程中建模的準(zhǔn)確性與細(xì)節(jié)表現(xiàn)力，是未來需要攻克的技術(shù)方向之一，需要我們充分積累點云各種形態(tài)結(jié)構(gòu)的匹配算法和一定量的形體結(jié)構(gòu)公式，以便于后期的自動識別等方法方式的實現(xiàn)。同時，由于城市的發(fā)展方向已從傳統(tǒng)的扁平擴張轉(zhuǎn)向立體縱深，因此對城市信息的三維構(gòu)建已成了精細(xì)化管理的客觀需求，三維激光掃描技術(shù)也必將在數(shù)字城市乃至智慧城市建設(shè)中扮演越來越重要的角色。