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模型；以三維激光掃描方式實現(xiàn)三維超精細建模；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)采用的是極坐標幾何定位原理，利用激光作為信號源，對目標按照一定的分辨率進行掃描，直接獲取地物目標表面的三維坐標信息，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。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。當然點云數(shù)據(jù)要比拼圖更加細致和密集。

2、三維激光掃描系統(tǒng)分類

根據(jù)不同的分類標準，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的CCD相機可以獲取目標表面的激光強度信號和真彩色信息，為目標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，進而影響到模型的精度，所以在拼接前需要進行去噪處理，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，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)進行分類、著色、切片處理，最后導出每幢建筑各側(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線采用極坐標細部測量法完成的。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掃描儀對凱達爾樞紐國際廣場進行掃描，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表面的精細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確計算。故在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，要進行點云數(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)進行采樣，采樣間距設(shè)置為5m。最后將采樣后的數(shù)據(jù)導入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確性與細節(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。