時(shí)間：2023-05-30 10:37:39
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇三維激光掃描儀，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
[關(guān)鍵詞]三維激光掃描 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 測(cè)量數(shù)據(jù) 精度評(píng)估
[中圖分類號(hào)] O343.2 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2014）-8-220-2
隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，激光掃描技術(shù)得到進(jìn)一步的提高，高端的三維激光掃描儀器逐漸進(jìn)入普通人的視野。地面三維激光掃描儀是近年來出現(xiàn)的一種新型儀器，在國(guó)內(nèi)越來越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注。它具有高精確、快速、無接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可以以無接觸形式快速獲取地球表面及其上面各種目標(biāo)海量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這使得三維激光掃描儀的應(yīng)用領(lǐng)域由傳統(tǒng)的建筑、制造和室內(nèi)設(shè)計(jì)向工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等測(cè)繪領(lǐng)域逐漸發(fā)展。目前，在三維激光掃描儀應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)工作當(dāng)中，許多新的技術(shù)方法、數(shù)據(jù)處理研究方法需要隨之跟上，如何利用好這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)做變形監(jiān)測(cè)工作也成為測(cè)量人員有待深入研究的話題。本文針對(duì)三維激光掃描儀變形精度研究進(jìn)行探討，希望對(duì)推廣這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用有所幫助。
1數(shù)據(jù)獲取方法
本實(shí)驗(yàn)采用索佳精密監(jiān)測(cè)全站儀SOKKIANET1和徠卡三維激光掃描儀LeicaScanStation2來獲取被監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取流程為：（1）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，（2）布設(shè)控制點(diǎn)和標(biāo)靶點(diǎn)，如圖1所示。
其中A、B、C和D為變形監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，是穩(wěn)固不變的點(diǎn)，用于將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從儀器獨(dú)立坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系或局部坐標(biāo)系下面，同時(shí)，它們也可以作為標(biāo)靶點(diǎn)用來做拼接使用；1～8號(hào)點(diǎn)是布設(shè)在變形體表面的標(biāo)靶點(diǎn)，一是點(diǎn)云配準(zhǔn)使用，二是作為變形體變形特征點(diǎn)使用（用于分析變形量及其精度評(píng)價(jià)）。
以上準(zhǔn)備工作完成之后，接下來進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。SOKKIANET1全站儀集成了全站儀的最新技術(shù)，最小距離顯示為0.1mm。在無棱鏡的條件下，其測(cè)量精度也達(dá)到了1mm的量級(jí)。LeicaScanStation2的單點(diǎn)定位精度（50m距離）形成模型表面的精度±2mm，標(biāo)靶獲取精度±1.5mm。實(shí)驗(yàn)獲取的是被監(jiān)測(cè)對(duì)象的表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)（兩期數(shù)據(jù)，每期有多站測(cè)量數(shù)據(jù)）以及所有控制點(diǎn)和標(biāo)靶點(diǎn)的高精度三維全站儀坐標(biāo)數(shù)據(jù)。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去噪、平滑和抽稀是在徠卡Cyclone6.0軟件中完成的，Cyclone三維數(shù)據(jù)處理軟件的主要模塊有Cyclone-SCAN、Cyclone-REGISTER、Cyclone-MODEL、Cyclone-SURVEY等模塊，可控制徠卡掃描儀完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)掃描測(cè)量標(biāo)靶點(diǎn)、依據(jù)標(biāo)靶或點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接、可以導(dǎo)入和輸出DXF、TXT等多種數(shù)據(jù)格式等強(qiáng)大的功能。
接下來我們把用全站儀所測(cè)量的控制點(diǎn)（A、B、C、D點(diǎn)）的測(cè)量坐標(biāo)以txt文本進(jìn)行存儲(chǔ)，并在Cyclone6.0中以標(biāo)靶點(diǎn)云的形式導(dǎo)入，以它為基準(zhǔn)進(jìn)行每期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這樣整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)就都在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量坐標(biāo)系或者局部坐標(biāo)系的下面，然后我們就可以進(jìn)行變形分析信息的提取和誤差分析。
2點(diǎn)變形分析與精度評(píng)估
三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換后，所有坐標(biāo)就轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)或者局地坐標(biāo)系下面。每一個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)都具有三維激光掃描轉(zhuǎn)換坐標(biāo)和全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)兩個(gè)坐標(biāo)值，并且全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)值的精度要比三維激光測(cè)量精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。本文以全站儀坐標(biāo)值為真實(shí)值來評(píng)價(jià)三維激光點(diǎn)的精度。根據(jù)測(cè)量中誤差公式：
現(xiàn)將變形監(jiān)測(cè)結(jié)果和精度評(píng)價(jià)列于表1。
通過表中數(shù)據(jù)可以看出，三維激光掃描測(cè)量標(biāo)靶點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)有很高的精度，觀測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位精度中誤差分別是Mx=±0.0004，My=±0.0006，Mz=±0.0006，觀測(cè)點(diǎn)平面誤差Dxy=±0.0008，Dxz=±0.0007，Dyz=±0.0009，觀測(cè)點(diǎn)的三維誤差為Dxyz=±0.0010。
3線變形分析與精度評(píng)估
三維激光掃描是變形測(cè)量的代表，能很好的反映監(jiān)測(cè)對(duì)象整體的變形信息，除去標(biāo)靶點(diǎn)外，很難在兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間找到其他的同名點(diǎn)。基于此，我們根據(jù)數(shù)值分析中插值的思想，采用三次樣條插值函數(shù)擬合三次樣條曲線，這樣就可以得到被監(jiān)測(cè)對(duì)象任何一點(diǎn)的變形值。首先我們以一個(gè)垂直于z軸的平面剖割點(diǎn)云（為了研究的方便，剖線是依據(jù)標(biāo)靶點(diǎn)z坐標(biāo)來剖割的，并且具有一定寬度的剖割），然后將剖出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以txt格式導(dǎo)出，最后在MATLAB軟件中實(shí)現(xiàn)三次樣條曲線的擬合。
三次樣條函數(shù)的擬合是在MATLAB軟件中實(shí)現(xiàn)的，主要代碼如下：
clear
A=importdata（′C：＼Users＼lyg＼Desktop＼11。txt′）；
m=A（：，1）；
n=A（：，2）；
x=m′；
y=n′；
xx=-98.6163：0.0001：-96.7838；
yy=spline（x，y，xx）；
plot（x，y，′o′，xx，yy）
pp=spline（x，y）；
[breaks，coefs，nploys，ncofs，dim]=unmkpp（pp）；
經(jīng)過上面的過程，我們就可以擬合出所需要的曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行分析。為了表示一般性，擬合過程中需要事先把標(biāo)靶點(diǎn)剔除，這樣就可以對(duì)三維激光曲線擬合的一般性進(jìn)行討論了。我們擬合出標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)并和標(biāo)靶點(diǎn)實(shí)測(cè)值對(duì)比，如表3。
計(jì)算的出擬合精度中誤差為m=0.001377。
這樣，我們?cè)跀M合的曲線y=f（x），x每間隔100mm取一個(gè)變形點(diǎn)，這樣就可以得到線上每一個(gè)點(diǎn)的變形，達(dá)到我們研究被監(jiān)測(cè)對(duì)象上面任何一點(diǎn)變形信息的研究目的。變形結(jié)果如表4。
4結(jié)語
綜上所述，三維激光掃描儀的變形監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)相比有很大的不同，主要體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)獲取方式和數(shù)據(jù)分析的方法等方面。本文通過探討地面三維激光掃描儀的變形精度研究工作，提出了利用三次樣條插值來解決三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)中非標(biāo)靶點(diǎn)的點(diǎn)變形數(shù)據(jù)處理，其結(jié)果可靠，相信在往后的變形監(jiān)測(cè)中會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；控制測(cè)量；標(biāo)靶測(cè)量；
文物作為一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族文明程度的有效載體，代表著這個(gè)國(guó)家的歷史和底蘊(yùn)，顯示著這個(gè)民族的淵源和風(fēng)采，文物保護(hù)工作對(duì)兩個(gè)文明建設(shè)有著十分重要的意義和作用。天龍山石窟是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位,是列入世界文化遺產(chǎn)保護(hù)名錄的國(guó)寶。
天龍山佛像實(shí)體與三維模型
1 控制網(wǎng)的布設(shè)方案
本次天龍山石窟三維激光掃描項(xiàng)目,目的是利用激光三維掃描技術(shù)對(duì)天龍山石窟進(jìn)行數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)其再現(xiàn)、保護(hù)和仿制，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。由于掃描之前沒有現(xiàn)成的高等級(jí)的控制點(diǎn)可用，因此我們需要首先對(duì)天龍山石窟作整體控制測(cè)量，以服務(wù)后邊的標(biāo)靶點(diǎn)測(cè)量。整個(gè)控制測(cè)量分兩部分，平面控制和高程控制。平面控制擬采用城市一級(jí)導(dǎo)線測(cè)量，高程控制擬采用二等水準(zhǔn)測(cè)量。
2三維激光掃描儀的特點(diǎn)及原理
三維激光影像掃描儀是一種集成多種高新技術(shù)的影像掃描測(cè)量系統(tǒng)。主要包括激光測(cè)量系統(tǒng)、激光掃描儀、可便攜三角架、線纜、便攜電腦及控制裝置、定標(biāo)球及標(biāo)尺、測(cè)控軟件、信息后處理軟件等，同時(shí)也集成CCD數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。三維激光掃瞄儀是內(nèi)含掃瞄棱鏡的快速激光測(cè)距儀，可以快速方便準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型，以及對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析和數(shù)據(jù)處理。它不需反射棱鏡即可精確測(cè)得掃瞄點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其掃瞄速度目前可達(dá)數(shù)萬點(diǎn)/秒。其主要優(yōu)點(diǎn)有：非接觸式主動(dòng)測(cè)量，可操作空間小，便于架設(shè)。不需要可見光源，所以在黑暗中也可進(jìn)行測(cè)量，這種特點(diǎn)對(duì)坑道或自然洞穴的測(cè)量非常有幫助；在有可見光源時(shí)，可同時(shí)獲取被測(cè)點(diǎn)的色彩值，形成三維影像，可方便建立虛擬實(shí)境。三維激光影像掃描儀的核心技術(shù)有兩個(gè)：其一是空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)，其二是激光無反射棱鏡長(zhǎng)距離快速測(cè)距技術(shù)。
三維激光掃描儀的工作過程實(shí)際上就是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程。它通過具有一定分辨率的空間點(diǎn)坐標(biāo)x y z 其坐標(biāo)系是一個(gè)與掃描儀設(shè)置位置和掃描儀姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系所組成的點(diǎn)云圖來表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。三維激光掃描儀所得到的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)主要是： (1)激光束的水平方向值和豎直方向值(2)儀器到掃描點(diǎn)的距離值(3)掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度等。
前兩種數(shù)據(jù)用來計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值的,反射強(qiáng)度則用來給反射點(diǎn)匹配顏色脈沖。
3求解三維坐標(biāo)原理
非接觸式三維數(shù)據(jù)獲取方法按其測(cè)量原理的不同，大致分為光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量，電磁波測(cè)量等。其中，超聲波測(cè)量和電磁波測(cè)量在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中比較廣泛，在空間信息科學(xué)領(lǐng)域里，光學(xué)測(cè)量方法應(yīng)用最普遍且一般采用激光作為光源。本文研究的主體就是三維激光掃描儀。激光三維數(shù)字化儀利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來獲取其三維信息。
原理：基于脈沖飛行時(shí)間測(cè)距。此類三維激光掃描儀利用激光脈沖發(fā)射器周期地驅(qū)動(dòng)一激光二極管向物體發(fā)射近紅外波長(zhǎng)的激光束，然后由接收器接收目標(biāo)表面后向反射信號(hào),產(chǎn)生一接收信號(hào)，利用一穩(wěn)定的石英時(shí)鐘對(duì)發(fā)射與接收時(shí)間差作計(jì)數(shù)，又光的速度是常量，所以可測(cè)得被測(cè)目標(biāo)至掃描中心的距離S，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值θ。激光掃描系統(tǒng)一般使用儀器自己定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直(如圖1所示)。內(nèi)部伺服馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使脈沖激光束沿X、Y兩個(gè)方向快速掃描,實(shí)現(xiàn)高精度的小角度掃描間隔、大范圍掃描幅度。通過一個(gè)線元素和兩個(gè)角元素計(jì)算空間點(diǎn)位的X、Y、Z坐標(biāo)，空間點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式如下：
4 標(biāo)靶的布設(shè)方案及實(shí)施
掃描儀標(biāo)靶是一種掃描儀配套的能精確識(shí)別其中心的像豎著的乒乓球拍形狀的標(biāo)靶，分為底座和標(biāo)靶面兩部分，標(biāo)靶面可以繞著標(biāo)靶中心旋轉(zhuǎn)。標(biāo)靶點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換坐標(biāo)和控制誤差的控制點(diǎn)，一般要分布均勻，保證有足夠的密度，能控制整個(gè)建筑而且易于掃描和短期保留。在布設(shè)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求，針對(duì)需要掃描的目標(biāo)確定標(biāo)靶的個(gè)數(shù)和位置。為了方便標(biāo)靶辨認(rèn)，我們對(duì)所測(cè)標(biāo)靶點(diǎn)統(tǒng)一編上號(hào)，這樣每個(gè)標(biāo)靶都有自己的編號(hào)，這樣掃描完內(nèi)業(yè)處理時(shí)就不會(huì)認(rèn)錯(cuò)標(biāo)靶。
水平角觀測(cè)：在角度測(cè)量中，為了消除視準(zhǔn)軸誤差、水平軸傾斜誤差、照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的彈性帶動(dòng)誤差等儀器誤差，需要用盤左和盤右兩個(gè)位置進(jìn)行觀測(cè)。為了有效減弱各種誤差影響，保證觀測(cè)果的必要精度，水平角觀測(cè)采用全圓方向觀測(cè)法。測(cè)量時(shí)，由于標(biāo)靶距離一般都比較短，所以為了減少照準(zhǔn)誤差，我們?cè)诤笠朁c(diǎn)上豎上一枚大頭針，這樣就大大減少了后視的照準(zhǔn)誤差。
豎直角觀測(cè)：用十字絲橫絲橫切目標(biāo)于某一位置，豎直角觀測(cè)有兩種方法：中絲法和三絲法，我們用的是中絲法，即只用十字絲的中絲瞄準(zhǔn)目標(biāo)。在測(cè)站上安置儀器，對(duì)中、整平量取儀器高，測(cè)水平角的同時(shí)測(cè)量豎直角。
距離和高差測(cè)量：在瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，測(cè)出測(cè)站到標(biāo)靶點(diǎn)中心的水平距離，并且按三角高程測(cè)量計(jì)算出測(cè)站和標(biāo)靶中心間的高差，顯示到全站儀屏幕上。
結(jié)束語：
三維激光掃描儀最大的特點(diǎn)就是能建立高清晰的三維數(shù)字模型，不僅能對(duì)古跡當(dāng)時(shí)的真實(shí)面貌進(jìn)行再現(xiàn)，而且可將掃描數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成CAD數(shù)據(jù)資料。這就很好地解決了長(zhǎng)久以來文物古跡保護(hù)的難題：沒有用于維護(hù)和翻新的古跡的CAD數(shù)字資料。模型建立后，可對(duì)物體上的任意點(diǎn)、尺寸進(jìn)行量測(cè)量，通過掃描的精度比較可以看出，用三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果可以非常精確地測(cè)出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方法。與傳統(tǒng)的古建測(cè)量相比，三維激光測(cè)量能在不損傷建筑物的條件下，快速采集建筑物外部表面的精確數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力物力，可以做到花最合理的價(jià)格，最大效率地完成所需的工作。
參考文獻(xiàn)
[1]《城市測(cè)量規(guī)范》，（GBCJJ 8―99）
[2]《工程測(cè)量規(guī)范》，（GB50026―93）
[3]《控制測(cè)量學(xué)》，孔祥元等編著，武漢大學(xué)出版社，2001
[4]《控制測(cè)量學(xué)》，楊國(guó)清等編著，黃河水利出版社，2005
[5]《測(cè)量學(xué)》，陸國(guó)勝等編著，測(cè)繪出版社，2002
關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀 數(shù)字城市三維模型應(yīng)用
Abstract: In this paper, through the use of three-dimensional laser scanner to obtain building geometry data, to build a the digital city three-dimensional model method research, preliminary tests showed that the method can be applied to the field of three-dimensional modeling of the Digital City, is a three-dimensional model to build a digital citymore advanced means of a technique.Keywords: three-dimensional laser scanner; digital city three-dimensional model; application;
中圖分類號(hào)：O343.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
0 引言
“數(shù)字城市”是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類三維描述的系統(tǒng)。數(shù)字城市以地理空間框架為基準(zhǔn)，集成城市自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文、環(huán)境等綜合信息，基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)城市信息的廣泛共享。數(shù)字城市代表了城市信息化的發(fā)展方向，是推動(dòng)整個(gè)國(guó)家信息化的重要手段。國(guó)家測(cè)繪局于2006年啟動(dòng)了“數(shù)字城市建設(shè)示范工程”項(xiàng)目，在全國(guó)選擇若干具備條件的城市作為試點(diǎn)，開展數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)，并在最近幾年內(nèi)在市、縣兩級(jí)逐漸推廣。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，在城建、規(guī)劃、旅游、國(guó)土、消防等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用。如何快速準(zhǔn)確的獲取構(gòu)建三維模型所需要的空間幾何數(shù)據(jù)，一直是困擾人們的一個(gè)問題，也是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。三維激光掃描儀的出現(xiàn)和在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,在這個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了較大的突破和改進(jìn)。三維激光掃描儀能夠快速準(zhǔn)確的獲得建筑物的高程和立面數(shù)據(jù)，對(duì)于構(gòu)建精準(zhǔn)的三維模型發(fā)揮了重要的作用。
1 三維激光掃描儀測(cè)量原理
三維激光掃描儀的工作過程是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，它采用儀器坐標(biāo)系下的三維空間點(diǎn)組成的點(diǎn)云圖來表達(dá)對(duì)目標(biāo)物體采樣的結(jié)果。三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測(cè)量掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計(jì)算激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。同時(shí)，彩色CCD相機(jī)拍攝被測(cè)物體的彩色照片，記錄物體的顏色信息，采用貼圖技術(shù)將所攝取的物體的顏色信息匹配到各個(gè)被測(cè)點(diǎn)上，得到物體的彩色三維信息。
2 利用三維激光掃描儀構(gòu)建三維模型的工作流程
利用三維激光掃描儀獲取建筑物的空間幾何數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字城市三維模型建設(shè)的工作流程主要包括：外業(yè)掃描、數(shù)據(jù)拼接、特征線提取、3D建模、格式轉(zhuǎn)換幾個(gè)部分。
2.1 外業(yè)掃描
首先根據(jù)掃描目標(biāo)的位置、大小和復(fù)雜程度設(shè)計(jì)出各掃描站和控制標(biāo)靶的位置，通常一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)需要多個(gè)測(cè)站才能完成。可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐腉PS控制點(diǎn)的點(diǎn)位，通過全站儀進(jìn)行測(cè)量定向，從而確定三維掃描儀掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)參考。一般采用連接點(diǎn)測(cè)量的方法進(jìn)行掃描，連接點(diǎn)測(cè)量法具有高效和精確的特點(diǎn)，站與站的連接精度可達(dá)1毫米，適用于測(cè)量范圍在300 米之內(nèi)的區(qū)域。
外業(yè)測(cè)量過程中，待測(cè)對(duì)象和標(biāo)靶是分開進(jìn)行掃描和測(cè)量的。首選在一個(gè)測(cè)站位置上選定測(cè)量區(qū)域，指定測(cè)量距離與間距，進(jìn)行自動(dòng)掃描。然后選擇測(cè)量標(biāo)靶命令，照準(zhǔn)標(biāo)靶位置，記錄點(diǎn)位。要保證三個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)位在下一測(cè)站中可見，從而保證可將掃描數(shù)據(jù)依次拼接。在掃描過程中，啟用三維掃描儀的自動(dòng)拍照功能，在形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)，采集到掃描目標(biāo)的紋理照片。
2.2 數(shù)據(jù)拼接
將外業(yè)的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦的Cyclone軟件中，軟件可自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)云、圖像和標(biāo)靶點(diǎn)，并分站放置在對(duì)應(yīng)的目錄樹下。采用連接點(diǎn)拼接，只需依次選中對(duì)應(yīng)的兩站中的三個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，軟件系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行拼接。選擇全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，合并到一個(gè)工作場(chǎng)景中。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行刪除噪聲點(diǎn)、非測(cè)量區(qū)域點(diǎn)，并把導(dǎo)入的圖像的顏色分別賦予對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云等處理。
2.3 特征線提取
為了方便特征線的提取，通常需要將建筑物的坐標(biāo)改成正南正北狀態(tài)。首先框選樓房正立面墻體上一塊點(diǎn)云，將框內(nèi)的點(diǎn)云擬合成mesh網(wǎng)格平面，在生成的mesh面片上任意選擇一點(diǎn)，點(diǎn)取更改坐標(biāo)命令，就可將建筑物糾正為正南正北方向。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一化后導(dǎo)入到AutoCAD軟件中，利用Cyclone軟件的cloudworx插件打開點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云的形狀，描繪出特征線。在提取特征線的過程中，為了避免背面的點(diǎn)云對(duì)描線產(chǎn)生影響，可以使用點(diǎn)云切片的功能。在描線的過程中還可以使用刷新點(diǎn)云的功能使點(diǎn)云的輪廓更加清晰。
圖1 坐標(biāo)糾正之前狀態(tài) 圖2坐標(biāo)糾正之后狀態(tài)
圖3根據(jù)點(diǎn)云提取模型的特征線
2.4 3D建模
將特征線文件導(dǎo)入3DMAX軟件中，作為底圖或立面高程數(shù)據(jù)的參考，進(jìn)行三維建模和紋理貼圖工作。利用3DMAX軟件的拉伸、擠出、旋轉(zhuǎn)、變形等命令進(jìn)行模型，將數(shù)碼相機(jī)實(shí)地采集的紋理照片或三維掃描儀拍攝的照片修飾成貼圖紋理，并將紋理指定給選定對(duì)象上，完成三維建模工作。構(gòu)建模型時(shí)應(yīng)遵循真實(shí)性、美觀性、代表性三個(gè)原則。
圖4 特征線導(dǎo)入到3DMAX中建模圖5 建成的三維模型
2.5 格式轉(zhuǎn)換
現(xiàn)在的數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)多是以NEWMAP軟件作為平臺(tái)的。該軟件對(duì)導(dǎo)入的三維模型的格式是有要求的。一般要求數(shù)據(jù)格式為*.x格式(DirectX的壓縮格式) ，模型能用微軟的Directx viewer工具打開，且不缺失紋理，模型的面應(yīng)盡量少。模型中用到的紋理圖片應(yīng)為dds(DXT3)格式，紋理尺寸采用MIP MAP 模式 (即2的n次冪 ×2的m次冪)。所以要將3D模型通過轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成上述要求的標(biāo)準(zhǔn)格式，才能導(dǎo)入到數(shù)字城市地理空間框架平臺(tái)中。
3 結(jié)束語
本文通過對(duì)利用三維激光掃描儀掃描構(gòu)建三維模型方法的研究，分析了三維激光掃描儀的工作原理，探索了構(gòu)建三維模型的基本的工作流程，初步試驗(yàn)表明了該方法可以應(yīng)用于城市建筑物的三維建模，是構(gòu)建數(shù)字城市三維模型的較為先進(jìn)的技術(shù)手段。另外，龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如何管理和處理海量數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)在處理過程中精度不受損失是需要進(jìn)一步解決的問題。獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)如何能夠自動(dòng)擬合形成實(shí)體模型或自動(dòng)提取出特征線，是三維掃描儀在軟件處理方面亟待解決的內(nèi)容，也是下一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。
參考參考文獻(xiàn)
[1]范海英，楊倫．三維激光掃描系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究[J]．礦山測(cè)量，2004，(3)．
[2]張立明．AutoCAD2002精彩創(chuàng)意實(shí)例講解[M]．海洋出版社，2002年．
[3]范海英，李暢．Cyra三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在AutoCAD中的處理方法研究[J]．遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，(3)
[4]王彬華．AutoCAD2002中文版實(shí)例教程[M]．電子科技大學(xué)出版社，2002年文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；應(yīng)用原理；數(shù)據(jù)處理；建筑物測(cè)量；數(shù)據(jù)建模 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
中圖分類號(hào)：TP274 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0172-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.05.083
近年來，在各種技術(shù)的支撐之下，激光掃描技術(shù)也獲得了新的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)鮮明，能夠進(jìn)行各種復(fù)雜物體的掃描，并能夠克服各種復(fù)雜環(huán)境的限制。由于其典型的優(yōu)勢(shì)特征，目前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于工程測(cè)量、地圖測(cè)井、加工檢測(cè)等多種測(cè)量工作中。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)ㄖ锏娜S信息進(jìn)行快速掃描，并構(gòu)建出合理的三維建筑模型，這為后續(xù)建模過程中的數(shù)據(jù)處理提供了豐富的資源。下面，筆者將對(duì)建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行深入分析。
1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理介紹
三維激光掃描技術(shù)是新近才發(fā)展起來的，具有諸多優(yōu)勢(shì)，必然會(huì)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。三維建模方法通常有兩種：第一，基于圖像的方法；第二，基于幾何的方法。前者是通過照片或者圖片來建立模型的，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都來源于數(shù)碼相機(jī)；而基于幾何的方法則是通過激光掃描儀掃描所獲得的數(shù)據(jù)來建立合理的三維模型，是利用幾何信息進(jìn)行建模的。三維激光掃描儀的類型多樣，依據(jù)不同的掃描平臺(tái)劃分，有地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)以及機(jī)載激光掃描系統(tǒng)之分。而按照距離來分，三維激光掃描儀可以分為：長(zhǎng)距離激光掃描儀，掃描距離在30米以上，該類儀器主要用于建筑物、礦山、大壩等的測(cè)量過程；中距離激光掃描儀的最長(zhǎng)掃描距離小于30米，多用于室內(nèi)空間及大型模具的測(cè)量過程；短距離激光掃描儀，最長(zhǎng)的掃描距離不會(huì)超過3米，而最佳的掃描距離在1.2米左右，多用于小型模具的測(cè)量，掃描的速度快且精度高。航空激光掃描儀的最長(zhǎng)掃描距離大都在1000米以上，需要配備精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，適用于大范圍地形的掃描測(cè)量工作。
三維激光掃描技術(shù)的主要作用對(duì)象是高速三維掃描儀，該設(shè)備充分運(yùn)用激光掃描技術(shù)便可以在短短幾分鐘之內(nèi)產(chǎn)生詳細(xì)的三維圖像。由于擁有觸摸操作屏，激光掃描儀能夠靈活地進(jìn)行掃描，獲得完善的掃描參數(shù)。從構(gòu)造方面來說，三維激光掃描儀中配有一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀、可以均勻角度掃描的發(fā)射棱鏡和數(shù)碼相機(jī)，能夠直接獲得物體的整體影像，并完成對(duì)物體的全方位掃描。掃描完成之后，設(shè)備會(huì)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從原始數(shù)據(jù)方面來說，三維激光掃描儀可以掃描到三類數(shù)據(jù)：掃描儀通過變動(dòng)鏡子的角度反射不同的脈沖激光；根據(jù)三維激光掃描儀器激光傳播時(shí)間的不同，設(shè)定具體的位置，之后利用激光束的垂直及水平方向角得到儀器相對(duì)于掃描電的空間坐標(biāo)。當(dāng)然，這個(gè)坐標(biāo)信息也是相對(duì)的。由于三維激光掃描的反射強(qiáng)度不同得到的數(shù)據(jù)不同。工作人員可以利用三維激光掃描儀的掃描點(diǎn)不同的反射強(qiáng)度匹配不同的色彩，并以此計(jì)算出某個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并用（x，y，z，反射強(qiáng)度）來表示。由上述三數(shù)據(jù)可以看出，三維激光掃描儀技術(shù)的應(yīng)用過程也就是數(shù)據(jù)信息與處理的過程，并形成空間坐標(biāo)明確掃描物體與掃描點(diǎn)的具體方向關(guān)系。總之，要保證掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，就要選擇相應(yīng)類型的掃描儀，并保證該儀器在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用；要明確掃描對(duì)象的典型特征，明確需要通過掃描獲得的數(shù)據(jù)信息，從而合理應(yīng)用激光掃描儀。
2 建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理
正如上文所提到的，三維激光掃描技術(shù)的處理過程實(shí)際上是數(shù)據(jù)處理的過程。通過這個(gè)過程，目標(biāo)位的數(shù)字模型也就建立起來。三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理工作主要通過兩個(gè)步驟進(jìn)行：掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品。下面筆者將對(duì)三維激光掃描儀的掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品形成這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入介紹：
掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作內(nèi)容相對(duì)寬泛，包括地理參考、坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)分割以及數(shù)據(jù)濾波等多個(gè)方面，也是直接在點(diǎn)云層面上進(jìn)行操作。第一，地理參考的過程就是將三維激光掃描儀坐標(biāo)下的云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到不同的點(diǎn)云子集中，從而形成不同的曲面形式；第二，坐標(biāo)糾正就是在三維激光掃描技術(shù)的掃描區(qū)域內(nèi)設(shè)置不同的控制點(diǎn)，而同一區(qū)域內(nèi)會(huì)包含多個(gè)同名的控制點(diǎn)。這些同名控制點(diǎn)就可以將不同的位置掃描到同一個(gè)坐標(biāo)下；第三，數(shù)據(jù)濾波是濾出數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，保持?jǐn)?shù)據(jù)的“純
凈度”。
就目前來說，要發(fā)揮三維激光掃描儀的功能，就要合理充分應(yīng)用各個(gè)控制軟件，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。控制軟件的主要作用是幫助掃描儀采集數(shù)據(jù)，并及時(shí)地給予相應(yīng)處理，而各種處理技術(shù)則是由第三方廠商提供，主要是進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。得到數(shù)據(jù)之后，就要進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是其中最重要的部分。點(diǎn)云處理主要包括四個(gè)步驟：去除噪聲；多視對(duì)齊；精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)；重構(gòu)曲面。第一，去除噪聲就是指去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中掃描對(duì)象之外的數(shù)據(jù)，包括某些環(huán)境因素，如移動(dòng)車輛等；第二，多視對(duì)齊，就是指從不同的位置和多個(gè)視角對(duì)建筑物進(jìn)行多彩掃描，要在物體表面布設(shè)同名控制點(diǎn)，保證點(diǎn)云對(duì)齊的過程；第三，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)是在不影響曲面重構(gòu)和精度的情況下精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)距離精簡(jiǎn)，也可以平均精簡(jiǎn)；第四，曲面重構(gòu)就是將掃描儀獲得的數(shù)據(jù)信息用曲面表現(xiàn)出來，從而將掃描對(duì)象的真實(shí)情況盡可能還原，如三角形網(wǎng)格、參數(shù)曲面等。通過以上步驟，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理基本完成。綜上所述，數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵部分，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后才能形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
3 建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用
3.1 控制網(wǎng)的布設(shè)
三維激光掃描技術(shù)在建筑物建模測(cè)量中的應(yīng)用中最關(guān)鍵的內(nèi)容就是布設(shè)觀測(cè)控制網(wǎng)。要嚴(yán)格按照三維激光掃描儀的掃描要求，選擇合理的控制網(wǎng)布設(shè)方法，合理布設(shè)各個(gè)控制網(wǎng)的位置：第一，從精度上來說，控制網(wǎng)的精度不得低于建筑物建模的精度；第二，從網(wǎng)型上來說，控制網(wǎng)的形狀必須合理，從而保證掃描儀能獲得完整的數(shù)據(jù)信息；第三，從相鄰控制點(diǎn)的架設(shè)要求方面來說，要保證控制點(diǎn)的通視良好，保證掃描過程順利進(jìn)行；第四，從距離方面來說，控制點(diǎn)與被測(cè)物體之間應(yīng)保持50米之內(nèi)的距離，從而保證檢測(cè)精度。總之，在控制網(wǎng)布設(shè)的過程中，要努力遵循以上原則。而根據(jù)建筑物形狀的不同，我們可以采用不同的控制網(wǎng)布設(shè)方案，目前來說，方案共有兩種：第一，四面控制網(wǎng)布設(shè)法。該種方法適用于建筑物的長(zhǎng)寬較大的情況，可以很好地對(duì)整面墻體進(jìn)行掃描。工作人員可以在建筑物的四個(gè)角上設(shè)置控制點(diǎn)，使得兩面墻體都能夠被掃描到。多個(gè)角度掃描，同一個(gè)墻體就會(huì)被掃描多次，點(diǎn)云密度增加。這樣一來，建筑物建模的精確度也會(huì)大大提高[如圖1（a）]；第二，當(dāng)建筑物的長(zhǎng)寬相對(duì)較小時(shí)，就可以采用圖1（b）布設(shè)方案。該種布設(shè)方案的掃描效果更為理想，并且能夠大大節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，提高工作效率。
被測(cè)物體的夾角與掃描點(diǎn)精度之間存在密切關(guān)系，這也是長(zhǎng)期工作實(shí)踐的結(jié)果。如果夾角越小，精度越高。而通過上述兩種方案，我們可以知道，定向邊與被測(cè)墻體的夾角基本上都在45度之內(nèi)，掃描點(diǎn)的精度還是相當(dāng)高的。完成控網(wǎng)布設(shè)之后，工作人員可以采用較高精度的全站儀來測(cè)量建筑物的坐標(biāo)，從而獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。如果控制點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，就要在兩個(gè)控制點(diǎn)之間增加一個(gè)控制點(diǎn)，使得測(cè)量的精確度進(jìn)一步提高。
3.2 三維激光掃描的觀測(cè)方法
要保證三維激光掃描儀的掃描效果，工作人員要做好以下四個(gè)方面的工作：第一，先選定一個(gè)控制點(diǎn)，然后在這個(gè)控制點(diǎn)上架設(shè)激光掃描儀。掃描儀要確保對(duì)中整平，并用各種數(shù)據(jù)線連接起來；第二，要將相鄰控制點(diǎn)的距離設(shè)定在100米之內(nèi)，50米左右最為合理，并保證標(biāo)靶整平對(duì)齊；第三，要開啟激光掃描儀的控制性軟件，然后對(duì)準(zhǔn)標(biāo)靶進(jìn)行認(rèn)真掃描，掃描完成獲得定向邊的相關(guān)三維數(shù)據(jù)；之后，再次進(jìn)行掃描，明確建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；要重復(fù)掃描，確保數(shù)據(jù)精確合理；第四，要檢查建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否齊全，明確是否存在遺漏或者掃描效果不好的區(qū)域。如發(fā)現(xiàn)問題，必須進(jìn)行再次掃描，從而確保數(shù)據(jù)安全可靠。在數(shù)據(jù)采集結(jié)束之后，就要將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。要保證采集到的數(shù)據(jù)合理，就要合理設(shè)置三維激光掃描儀的相應(yīng)參數(shù)，避免影響掃描結(jié)果。總之，在技術(shù)應(yīng)用過程中，工作人員要注意協(xié)調(diào)各方面的因素，數(shù)據(jù)掃描、分析以及建模工作等。
總之，建筑物測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，需要進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)、需要采用合理的觀測(cè)方法。工作人員要從建筑物的實(shí)際情況出發(fā)，合理應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，確保掃描的精確度。
4 結(jié)語
三維激光掃描技術(shù)可以快速掃描被測(cè)物體，不需要反射棱鏡便可以獲得高精度的掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)，在我國(guó)城市規(guī)劃、土木工程、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用較多。同時(shí)，三維激光掃描儀在復(fù)雜地形地貌的建筑物建模方面優(yōu)勢(shì)明顯，具有廣泛的發(fā)展前景。由于各種主客觀限制性因素的影響，我國(guó)建筑物測(cè)量中三維激光掃描儀器的應(yīng)用還存在很多不完善之處。未來相關(guān)工作人員應(yīng)該加快研究工作，努力拓寬三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍，提升技術(shù)的使用效率及效果。
參考文獻(xiàn)
[1] 查燕萍，龍北平.三維激光掃描技術(shù)在萬壽宮古建筑群測(cè)量中的應(yīng)用[J].江西煤炭科技，2015，（7）.
[2] 高秋玲.三維激光掃描技術(shù)在異形建筑房產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016，（9）.
[3] 黃承亮，向娟.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的y量方法研究[J].城市勘測(cè)，2011，（11）.
[4] 陳玉婷.三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測(cè)量中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016，（8）.
關(guān)鍵詞：三維激光掃描
Abstract: The three-dimensional laser scanning technology is the field of surveying and mapping, following the GPS after another revolutionary technological innovation to overcome the deficiencies of traditional surveying and mapping technology and equipment, freed of the heavy field work, a field data collection, can be made into a variety kind of geographic information products. After ten years of development, the three-dimensional laser scanning technology, such as topographic survey, road surveying, bridge measurements, earthwork engineering, architectural design, ancient architecture, measurement and protection of cultural relics, large-scale construction monitoring, disaster monitoring, a very good application.
Keywords: 3D laser scanning
中圖分類號(hào)： O348 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：
0引言
三維激光掃描技術(shù)被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”始于上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，它的出現(xiàn)是繼GPS技術(shù)之后測(cè)繪領(lǐng)域的又一次新的技術(shù)革命，三維激光掃描技術(shù)是根據(jù)全站儀的基本工作原理，記錄點(diǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)（X、Y、Z坐標(biāo)），在全站儀的基礎(chǔ)上加上伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器來自動(dòng)完成水平方向和垂直方向的掃描，從而完成水平方向360度和一定垂直方向的全方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。
1三維激光掃描儀的基本工作原理
目前，生產(chǎn)三維激光掃描儀的公司有很多，典型的有瑞士的Leica公司、美國(guó)的3D DIGITAL公司和Polhemus公司、奧地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、瑞典的TopEye公司、法國(guó)的MENSI公司、日本的Minolta公司、澳大利亞的I-SITE公司。它們各自的產(chǎn)品在測(cè)距精度、測(cè)距范圍、數(shù)據(jù)采樣率、最小點(diǎn)間距、模型化點(diǎn)定位精度、激光點(diǎn)大小、掃描視場(chǎng)、激光等級(jí)、激光波長(zhǎng)等指標(biāo)會(huì)有所不同，但它們的基本工作作原理是一致的。
基本工作原理 三維坐標(biāo)計(jì)算公式
2 Lieca三維激光掃描儀的發(fā)展
從1998年全球第一臺(tái)商用三維激光掃描儀開始，徠卡測(cè)量系統(tǒng)的HDS掃描儀產(chǎn)品已經(jīng)更新?lián)Q代了六代。速度從最初的100點(diǎn)/秒提升到目前的100萬點(diǎn)/秒。目前Lieca三維激光掃描系統(tǒng)最新的硬件產(chǎn)品有：滿足不同測(cè)量需求的三維激光掃描系統(tǒng)Scanstation C5、高效一體化三維激光掃描儀Scanstation C10 、超高速三維激光掃描儀HDS6200以及超長(zhǎng)測(cè)程型三維激光掃描儀HDS8800。
Lieca最新三維激光掃描儀性能對(duì)比表
3 Lieca Scanstation C10三維激光掃描儀的特點(diǎn)
Leica ScanStaion C10是ScanStaion2的升級(jí)產(chǎn)品，是通過收購(gòu)美國(guó)的Cyra公司后的第三代升級(jí)產(chǎn)品，是一款全站儀式的掃描儀。All-in-One“一體化設(shè)計(jì)”是C10的最大特點(diǎn)，它把所有的關(guān)鍵部件都集成在一個(gè)便攜的測(cè)量?jī)x器中。C10具有全視場(chǎng)角、高速、高精度、長(zhǎng)距離等特點(diǎn)，可以滿足最常見的測(cè)繪任務(wù)；具有豐富的圖形控制界面和強(qiáng)大的相機(jī)/攝像頭功能，大大提高了作業(yè)人員的可操作性和便利性；內(nèi)置了80G硬盤，可以滿足每天的數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)；裝有2塊熱插拔的電池，2塊電池可以同時(shí)使用也可以拆下1塊單獨(dú)使用；安裝了雙軸傾斜補(bǔ)償器，可以在±5′的范圍自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償精度達(dá)到，安裝了激光對(duì)中器，可以大大減少儀器對(duì)中整平和遷站的時(shí)間，提高了工作效率。
4 Lieca Scanstation C10三維激光掃描儀的應(yīng)用
4.1 工程項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)
以往在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、大型建構(gòu)筑物的變形監(jiān)測(cè)中，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法或GPS測(cè)量法，往往需要在監(jiān)測(cè)物表面上人工選擇一些觀測(cè)特征點(diǎn)，在上面設(shè)置標(biāo)志或設(shè)置棱鏡或設(shè)置儀器，考慮到成本或條件限制，所以不可能設(shè)置很多的特征點(diǎn)。如果監(jiān)測(cè)的特征點(diǎn)選擇不同，能夠反映監(jiān)測(cè)對(duì)象變形的能力就完全不同，所以對(duì)選擇特征點(diǎn)的技術(shù)人員有較高的要求，但有些情況下，如高危的邊坡、泥石流地區(qū)，人工是不能到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的，要如實(shí)的反映這些地區(qū)的變形，使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法或GPS測(cè)量法是不可能完成的任務(wù)。但是如采用三維激光掃描技術(shù)，就可以很輕松地完成這類任務(wù)，三維激光掃描是主動(dòng)式測(cè)量，不用接觸被監(jiān)測(cè)物體，不需要在被監(jiān)測(cè)對(duì)象上設(shè)置監(jiān)測(cè)標(biāo)志，Lieca Scanstation C10三維激光掃描儀可以在300米的地方設(shè)站，把整個(gè)監(jiān)測(cè)的對(duì)象以點(diǎn)云的方式全部記錄下，包括每個(gè)細(xì)微的特征點(diǎn)。Lieca Scanstation C10掃描速率最高達(dá)到5萬點(diǎn)每秒，根據(jù)不同的設(shè)置模式，最多需要十幾分鐘就可以全方位掃描一個(gè)站，大大減少了工作人員在危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間。接下來的工作就是在室內(nèi)利用Lieca隨機(jī)的Cyclone軟件，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建成三維模型，再把新測(cè)的三維模型與以往建立的模型進(jìn)行對(duì)比，可以直觀求出每個(gè)細(xì)微特征點(diǎn)的變形情況。
4.2 歷史文物古址的保護(hù)
歷史文物古址是人類進(jìn)程的腳印，是人類文明的象征，但由于自然災(zāi)害、人類的破壞，所以這些文物古址是不可再生和和永久長(zhǎng)存的，怎么永久地記錄下這些歷史文物古址，使它們流傳后世，長(zhǎng)期以來一直困擾著考古界和文物界。以前對(duì)歷史文物古址記錄采用尺子丈量加素描、拓印等，由于歷史文物古址的造型奇特、不規(guī)則、細(xì)節(jié)豐富等特點(diǎn)，所以傳統(tǒng)的方法不能詳盡和精確地記錄，采用直接接觸式丈量和拓印還不利于和不便于歷史文物古址的保護(hù)。后來雖然采用了攝影攝像技術(shù)，可以詳盡地記錄下歷史文物古址的形狀，但是還是不能解決精確的尺寸問題。現(xiàn)在三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，克服了以前的諸多問題，實(shí)現(xiàn)了非接觸、高精度、高密度、真三維、全息影像融合記錄下了歷史文物古址的全部細(xì)節(jié)。為歷史文物古址的保護(hù)、修護(hù)、研究、再造提供了最全面的精確的數(shù)據(jù)。
4.3 虛擬三維環(huán)境
虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬漫游、虛擬三維展示、三維仿真等都要使用到高分辨率的3D建模技術(shù)，可以使人身臨其境地在三維環(huán)境中漫游，無論在世界任何角落，只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)就能足不出戶免費(fèi)“游覽”。目前的虛擬三維環(huán)境，并不是真正的三維，一般采用的是2.5維。主要是因?yàn)榛A(chǔ)數(shù)據(jù)采集困難，現(xiàn)在三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，就可以很方便地解決這個(gè)問題。
5 結(jié)論
[關(guān)鍵字] 三維激光 掃描技術(shù) 誤差 影響因素
[中圖分類號(hào)]P24[文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2013）-1-276-10引言
三維激光掃描技術(shù)是上世紀(jì)九十年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)的新突破。它以高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。能夠快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。具有快速性，不接觸性，穿透性，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、主動(dòng)性，高精度、高密度，自動(dòng)化、數(shù)字化等特性。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì).三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。
1 三維激光掃描儀的測(cè)量原理
三維激光掃描儀是在激光的相干性、方向性、單色性和高亮度等特性基礎(chǔ)上，同時(shí)注重操作簡(jiǎn)便和測(cè)量速度，從而保證測(cè)量的綜合精度，測(cè)量原理主要為有測(cè)距、掃描、測(cè)角、定向四方面。
應(yīng)用掃瞄技術(shù)來測(cè)量工件尺寸及形狀等原理來工作。主要應(yīng)用于逆向工程，負(fù)責(zé)曲面抄數(shù)，工件三維測(cè)量，針對(duì)現(xiàn)有三維實(shí)物在無技術(shù)文檔情況下，可快速測(cè)得物體輪廓集合數(shù)據(jù)，加以建構(gòu)，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型。
2 快速掃描技術(shù)特點(diǎn)
快速掃描是掃描儀誕生的概念，常規(guī)測(cè)量中，對(duì)每一點(diǎn)測(cè)量花費(fèi)時(shí)間在2-5秒，而有時(shí)對(duì)一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量更達(dá)到幾分鐘的時(shí)間，當(dāng)下對(duì)于此測(cè)量速度已經(jīng)十分落后了，而改變了這一現(xiàn)狀的正是由于三維激光掃描儀的誕生，脈沖掃描儀（scanstation2）最快速度可達(dá)到每秒50000點(diǎn)，而相位式掃描儀Surphaser最高速度已超120萬點(diǎn)每秒，這種掃描技術(shù)是對(duì)物體詳細(xì)描述的基本保證，深入測(cè)量的領(lǐng)域包括古文體，工廠管道，隧道，地形等。
無臂式手持3D掃描系統(tǒng)和雙攝像頭傳感器形成了一個(gè)獨(dú)特的組合，確保在實(shí)驗(yàn)室和工作場(chǎng)所能生成最精確的測(cè)量值。這一完備且功能強(qiáng)大的檢測(cè)方案提高了測(cè)量過程的可靠性、速度和多功能性。在鉸接臂方面與其他3D掃描儀相比較，光學(xué)3D掃描系統(tǒng)可以完全自由移動(dòng)，顯著提高了工作效率和質(zhì)量。
3 關(guān)于徑向三維激光掃描儀的測(cè)量誤差分析
通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小測(cè)量系統(tǒng)的偶然性誤差是一些隨機(jī)性誤差的綜合體現(xiàn)。由誤差理論來分析，徑向掃描系統(tǒng)測(cè)量誤差分為偶然誤差、系統(tǒng)誤差以及系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差。
影響三維激光腳點(diǎn)測(cè)量誤差的因素比較多，總的來說有儀器誤差、外界環(huán)境條件、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差這三類。儀器本身性能缺陷造成的測(cè)量誤差是儀器誤差，包括激光測(cè)距的誤差、掃描角度測(cè)量的誤差；溫度、氣壓等是影響外界環(huán)境條件主要因素；而目標(biāo)物體反射面傾斜的影響和表面粗糙度的影響是對(duì)與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差的主要影響因素。
3.1 關(guān)于掃描角測(cè)量的誤差。豎直掃描角度以及水平掃描角度測(cè)量是影響掃描角的測(cè)量誤差。而對(duì)于掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描電機(jī)的非均勻轉(zhuǎn)動(dòng)控制誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的微小震動(dòng)等因素是對(duì)引起掃描角度誤差的綜合反映。關(guān)于掃描角測(cè)量精度是相對(duì)高的，如徠卡的HDS2500掃描角測(cè)量精度可達(dá)±0.5″。
3.2 關(guān)于激光測(cè)距的誤差。對(duì)于激光測(cè)距信號(hào)，處理的各環(huán)節(jié)都會(huì)帶來一定程度上的誤差，測(cè)距技術(shù)中不確定間隔的缺陷引起的誤差和掃描儀脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差是光學(xué)電子電路中激光脈沖回波信號(hào)處理時(shí)引起的主要誤差。測(cè)距的凸角誤差與脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差造成循環(huán)、混淆現(xiàn)象相類似，而造成數(shù)據(jù)突變更可能是測(cè)距技術(shù)中不確定間隔的缺陷，這些突變的誤差可通過技術(shù)（如頻率倍乘、微調(diào)作用）處理。測(cè)距中的固定誤差和比例誤差是激光測(cè)距誤差綜合體現(xiàn)，對(duì)測(cè)距誤差的大小可運(yùn)用儀器檢定來確定。
3.3 關(guān)于溫度、氣壓等外界環(huán)境條件的影響。掃描過程中風(fēng)的震動(dòng)、溫度變化對(duì)精密機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)系的細(xì)微影響、激光在空氣中傳播的方向等因素是溫度、氣壓等外界環(huán)境條件對(duì)激光掃描影響的主要體現(xiàn)。而對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)影響較大的還有惡劣的外界環(huán)境條件。測(cè)距誤差或掃描角誤差是徑向三維激光掃描儀測(cè)量誤差的主要來源。由于測(cè)距誤差包含固定誤差和比例誤差兩部分，其影響具有一定的規(guī)律性。如HDS2500儀器的測(cè)距誤差在50m以內(nèi)為6mm，超過50m 后儀器測(cè)距誤差隨距離線性增加，在200m時(shí)達(dá)到42mm。 掃描角的誤差是一種與距離有關(guān)的誤差，掃描角誤差對(duì)掃描點(diǎn)的影響隨距離增大而增大。
3.4 關(guān)于目標(biāo)物體反射面傾斜的影響。在掃描測(cè)距系統(tǒng)中，激光接收器和激光發(fā)射頭兩部分組成激光測(cè)距單元。 而決定激光光束起始直徑的大小是用于激光發(fā)射和接收窗口的孔徑直徑，這直徑一般小于2cm。掃描到目標(biāo)物體表面形成激光腳點(diǎn)光斑的原因是激光發(fā)射和接收共用一條光路，且激光光束具有一定發(fā)散角。
3.5 關(guān)于目標(biāo)物體反射表面粗糙程度的影響。三維激光掃描點(diǎn)云的精度和物體表面粗糙程度有密切關(guān)系。首次或最后反射回來的回波信號(hào)只能被某些三維激光掃描系統(tǒng)處理，但也有三維激光掃描系統(tǒng)能綜合處理首次和最后反射回來的回波信號(hào)。這些都體現(xiàn)三維激光回波信號(hào)具有多值性特點(diǎn)。下面以處理首次反射回來激光回波信號(hào)為例（如圖1所示），目標(biāo)物體表面粗糙程度引起激光腳點(diǎn)位置的偏差dS1 接近于物體表面粗糙極值max 的1/2。
4 結(jié)語
三維激光掃描儀的儀器設(shè)備及測(cè)量誤差的研究目前還是不夠完善，在這方面還需要相關(guān)的工作人員繼續(xù)努力去完善，從而使其測(cè)量精度進(jìn)一步提高。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；成都二環(huán)路；測(cè)繪技術(shù)；測(cè)量應(yīng)用
【分類號(hào)】：P234.4
隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)的進(jìn)步，愈加拓寬的工程測(cè)量服務(wù)領(lǐng)域也在不斷提高對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求，由于地處城市主干道及城市高架的影響，全站儀、GPS測(cè)量在成都二環(huán)路改造工程竣工圖實(shí)測(cè)已經(jīng)完全無法滿足業(yè)主提出的工期要求。因此，作為新技術(shù)應(yīng)用探索，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于該工程，其不僅具有簡(jiǎn)便、快捷、精準(zhǔn)的應(yīng)用特點(diǎn)，而且其獲取數(shù)據(jù)速度快，方法靈活，使工期得到了保障，受到業(yè)主的一致好評(píng)。
一.三維激光掃描技術(shù)概述
三維激光掃描技術(shù)是通過激光作為測(cè)量依據(jù)，獲取相對(duì)復(fù)雜物體的圖形與數(shù)據(jù)，在經(jīng)由處理之后形成對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，并通過轉(zhuǎn)換成為三維坐標(biāo)或三維模型，來滿足各種測(cè)量領(lǐng)域提出的不同需求。
（一）系統(tǒng)組成部分
就賓得S-3180V近景三維激光掃描儀來說，其主要的組成部分包括數(shù)碼相機(jī)、電源、后處理軟件及各種附屬設(shè)備。其自帶相機(jī)起到協(xié)助判斷的功能，如右圖一所示主機(jī)及定向靶位。
（二）工作原理
三維激光掃描技術(shù)通過內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器功能向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，在檢測(cè)到被測(cè)目標(biāo)之后，再將目標(biāo)物發(fā)射回來的激光脈沖采集到信號(hào)接收器中，通過這樣的反射、接收，來計(jì)算從激光脈沖發(fā)射出去到返回的時(shí)間，就是被掃描物體距離掃描點(diǎn)的距離，得到相應(yīng)地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；同時(shí)啟動(dòng)掃描控制模塊功能，計(jì)算出其測(cè)量目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，繼而轉(zhuǎn)換成為坐標(biāo)系中的三維模型，得到最終的數(shù)據(jù)圖形。
（三）應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)對(duì)比，三維激光掃描技術(shù)具有精準(zhǔn)度高、分辨率高、速度快等多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.數(shù)字化
通過三維激光掃描技術(shù)獲取到的數(shù)據(jù)信息都集體呈現(xiàn)出全數(shù)字的特點(diǎn)，非常易于分析、處理及顯示。同時(shí)其用戶界面友好，能夠很好的實(shí)現(xiàn)與其它軟件的數(shù)據(jù)共享與交換，比如說與GPS、外接數(shù)碼相機(jī)配合使用等等，具有很好的拓展性。
2.分辨率高
三維激光掃描技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高密度的進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，以此來實(shí)現(xiàn)高分辨率的根本目的。
3.應(yīng)用性強(qiáng)
三維激光掃描技術(shù)對(duì)于使用條件沒有高要求，因此有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，適合于野外測(cè)量，可以對(duì)大面積或者是表面復(fù)雜的物體進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，因此在各個(gè)工程或者是道路建設(shè)等各領(lǐng)域中都有較為普遍的應(yīng)用。
4.非接觸式
在三維激光掃描技術(shù)中，使用的是非接觸式高速激光的測(cè)量方法，因此這就在無需反射棱鏡的基礎(chǔ)上直接對(duì)目標(biāo)物體予以掃描，并采集其相關(guān)三維信息。它的應(yīng)用價(jià)值就體現(xiàn)于當(dāng)在目標(biāo)物體的位置處于較危險(xiǎn)、惡劣的環(huán)境下，工作人員無法近身的時(shí)候。
二.三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用
三維激光掃描技術(shù)目前已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域都有了較為普遍的應(yīng)用，包括：文物保護(hù)；工業(yè)檢測(cè)，工廠數(shù)字化管理；建筑橋梁的測(cè)繪；地形、地質(zhì)研究等等。以下就三維激光掃描技術(shù)在成都二環(huán)路竣工圖實(shí)測(cè)工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析。
就成都二環(huán)路改造竣工圖實(shí)測(cè)項(xiàng)目中，主要使用的是賓得S-3180V近景三維激光掃描儀，實(shí)測(cè)目標(biāo)為路面地物，主要包括：人行道及廣場(chǎng)各類別地磚、盲道、各類別井蓋、路燈、樹池、標(biāo)志標(biāo)牌、休息座椅等等。其后期主要應(yīng)用的技術(shù)是將多站分塊掃描進(jìn)行無縫拼接，以此來將整體的掃描對(duì)象以幾何形態(tài)表現(xiàn)出來。首先根據(jù)相鄰掃描站所掃描的四到六個(gè)共有定向靶位，根據(jù)后方交會(huì)建站工作模式，采用系統(tǒng)自帶平差軟件計(jì)算各掃描站的三維信息，最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)掃描站之間圖形的無縫拼接，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)整體帶狀地形地物數(shù)據(jù)的收集。
（一）三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析
就成都二環(huán)路來說，由于受到二環(huán)高架及周邊高層房屋的影響，因此無法使用GPS，只能使用全站儀進(jìn)行測(cè)量，但是在實(shí)施過程中全站儀的測(cè)量速度非常慢，一般一臺(tái)全站儀每天僅能測(cè)量300m左右，加之二環(huán)路的車流、人流量非常大，對(duì)工作人員會(huì)產(chǎn)生一些潛在的安全隱患。
相反，就三維激光掃描儀來說，其具有速度快而且省去人工操作的環(huán)節(jié)，可以將其直接架設(shè)在中間綠化帶中，3-6分鐘的測(cè)量時(shí)間就可以測(cè)量完一跨橋兩側(cè)的地物，在一天8小時(shí)的時(shí)間內(nèi)可以測(cè)量1.5km左右。
（二）地物實(shí)測(cè)應(yīng)用
1.井蓋
三維激光掃描及時(shí)通過對(duì)井蓋獲取密度、精度較高的三維數(shù)據(jù)，對(duì)井蓋的形態(tài)及特點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)反映，井蓋原始地物如圖二所示，其經(jīng)過三維激光掃描儀之后的圖形顯示如圖三所示。
2. 雨污排水口、路沿石
當(dāng)然，這只是在成都二環(huán)路竣工圖實(shí)測(cè)地物的一部分應(yīng)用，上述例舉了兩個(gè)地物特征，三維激光掃描技術(shù)就是通過對(duì)地物特征的形象進(jìn)行掃描，并依據(jù)各個(gè)坐標(biāo)形成三維坐標(biāo)，繼而根據(jù)地物特征提取其特征線，如下圖所示：
經(jīng)CAD軟件繪制之后直接得到成都二環(huán)路如下的數(shù)據(jù)圖：
在整個(gè)測(cè)繪過程中，對(duì)立體點(diǎn)位定位及立面測(cè)量三維激光掃描的精度和圖像分辨處理效果不錯(cuò)，能夠達(dá)到三維建模的各項(xiàng)指標(biāo)要求，但對(duì)地面的物體定性上還必須得根據(jù)初步成果圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，以確定各類井蓋特性。
結(jié)束語
隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描儀的測(cè)量精準(zhǔn)度也愈來愈高，測(cè)量范圍也有了極大的拓展，目前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)可以很好的應(yīng)用到精準(zhǔn)要求極高的道路工程測(cè)量等領(lǐng)域，其作為一種發(fā)展迅速的測(cè)量技術(shù)，在應(yīng)用領(lǐng)域中不僅降低了測(cè)量成本，同時(shí)還能極大的提高工作效率。雖然說目前針對(duì)三維激光掃描技術(shù)的研究還是處在初級(jí)階段，但隨著研究的深入，與其他測(cè)量技術(shù)的有效結(jié)合，相信三維激光掃描技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1]馬利，白建軍，白文斌，謝孔振.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪.2011（02）.
[2]張毅，閆利，崔晨風(fēng).地面三維激光掃描技術(shù)在公路建模中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué).2008（05）.
關(guān)鍵詞： 攝影測(cè)量，三維激光掃描，三維定位，測(cè)量精度
Abstract: This paper described the photographic measurement principle in the three-dimensional laser scanning system, and its principles and techniques are briefly described. Then the paper focused on the three-dimensional laser scanning system in the spatial data access and protection of ancient buildings and the application of theory, briefly analyzed the key technologies.
Keywords: photogrammetry, three-dimensional laser scanning, three-dimensional positioning, measurement accuracy
中圖分類號(hào)：E933.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1 引言
近年來，以激光陣列距離掃描儀(Laser Range Scanner ，又稱為激光雷達(dá)) 為代表的高新技術(shù)將在多等級(jí)三維空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生重大突破。其中，機(jī)/星載系統(tǒng)結(jié)合其他定位（如INS ，GPS）及遙感等高新技術(shù)，可進(jìn)行大范圍數(shù)字地表模型（digital surface model，DSM）的高精度實(shí)時(shí)獲取。這種系統(tǒng)可部分穿越樹林遮擋，直接獲取真實(shí)地表的高精度三維信息，這是傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方法無法取代的。其中，地面車載或移動(dòng)系統(tǒng)可用于城市道路、堤壩、隧道及大型建筑物等復(fù)雜三維空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模型化，是建立三維城市GIS 最迫切需要的技術(shù)之一[1]。
在空間數(shù)據(jù)的測(cè)量中，獲取三維數(shù)據(jù)是一個(gè)重要的工作，三維測(cè)量目標(biāo)包括空間精細(xì)的物件，也可以是高大的建筑物或龐雜的地形地貌等現(xiàn)實(shí)世界的各種形體。如何準(zhǔn)確、有效地從實(shí)物樣件上采集復(fù)雜三維表面數(shù)據(jù)，進(jìn)而能快速地變成高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)軟件中的三維數(shù)學(xué)模型目前仍然存在很大的障礙。三維激光掃描技術(shù)可以應(yīng)用于文物保護(hù)、城市測(cè)繪、GIS數(shù)據(jù)獲取、工程測(cè)量、地形測(cè)量等各種測(cè)量領(lǐng)域，可發(fā)揮較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
2 三維激光掃描技術(shù)原理
三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式測(cè)量方式，其主要特點(diǎn)是無需和被測(cè)物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，并且可以和GPS 等集合起來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)、更多的應(yīng)用。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已將這一先進(jìn)技術(shù)用于對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)和快速獲取特定目標(biāo)的立體模型中。利用激光三維掃描儀對(duì)物體的表面進(jìn)行掃描測(cè)量，就可以得到大量表面點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行三維建模的依據(jù)。
三維激光掃描系統(tǒng)的工作過程是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，它采用儀器坐標(biāo)系下的三維空間點(diǎn)組成的點(diǎn)云圖來表達(dá)對(duì)目標(biāo)物體采樣的結(jié)果。三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測(cè)量掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計(jì)算激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
脈沖激光測(cè)距的原理是：掃描儀的發(fā)射器通過激光二極管向目標(biāo)發(fā)射近紅外波長(zhǎng)的激光束。激光經(jīng)目標(biāo)物體的漫反射，部分反射信號(hào)被接收器接受。通過測(cè)量信號(hào)在儀器和目標(biāo)物體表面的往返時(shí)間，計(jì)算儀器和點(diǎn)間的距離[2]。
三維激光掃描系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集獲得測(cè)距觀測(cè)值S，激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值θ。激光掃描三維測(cè)量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖1所示。由此可得到三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式：X = S*cosθcosα，Y = S*cosθsinα，Z = S*sinθ。
圖1三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量原理
3 三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用探討
3.1 應(yīng)用工作流程
三維激光掃描系統(tǒng)的工作流程分為:測(cè)站設(shè)計(jì)、掃描、控制標(biāo)靶中心的獲取、坐標(biāo)配準(zhǔn)、三維建模幾個(gè)部分[2]。主要介紹如下：
1．測(cè)站設(shè)計(jì)
根據(jù)掃描目標(biāo)的位置、大小、形態(tài)和需要獲取的重點(diǎn)屬性設(shè)計(jì)各掃描站和控制標(biāo)靶的位置。要求每站之間至少有三個(gè)控制標(biāo)靶重合，通過控制點(diǎn)的強(qiáng)制符合，以確定兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)符合所需的7個(gè)自由度，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終能夠統(tǒng)一到一個(gè)儀器坐標(biāo)系統(tǒng)下。
2．掃描
在選定的測(cè)站上架設(shè)掃描儀,調(diào)整好儀器的姿態(tài)。將掃描儀和筆記本使用網(wǎng)線連接，打開掃描儀的電源。啟動(dòng)Cy2clone軟件，建立筆記本與掃描儀的通訊，掃描過程由Cy2clone軟件控制，通過集成的數(shù)碼相機(jī)拍攝掃描對(duì)象的影像，在影像上選取掃描區(qū)域。掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù)（行、列數(shù)和掃描的分辨率等）自動(dòng)進(jìn)行掃描。
3．控制標(biāo)靶中心的獲取
每測(cè)站完成掃描后，均需要對(duì)控制標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)掃描。該掃描過程通過選取控制標(biāo)靶區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，為每個(gè)標(biāo)靶設(shè)置唯一的標(biāo)識(shí)，然后通過精細(xì)掃描該區(qū)域確定控制標(biāo)靶的中心點(diǎn)，相同的控制標(biāo)靶在不同測(cè)站中的標(biāo)識(shí)必須相同。
4．坐標(biāo)配準(zhǔn)
坐標(biāo)配準(zhǔn)的基本方法有三種：配對(duì)方式、全局方式和絕對(duì)方式。前兩種屬于相對(duì)方式，它是以某一掃描站的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，其它各站的坐標(biāo)系統(tǒng)都轉(zhuǎn)換到該站的坐標(biāo)系統(tǒng)下。
這兩種方式的共同表現(xiàn)是：在實(shí)施掃描的過程中，所設(shè)置的控制點(diǎn)或標(biāo)靶在掃描前其坐標(biāo)均未知。而第三種方式，則在掃描前，控制點(diǎn)的坐標(biāo)值已經(jīng)被測(cè)定，在處理掃描數(shù)據(jù)時(shí)，各測(cè)站都需要轉(zhuǎn)換到控制點(diǎn)所在的坐標(biāo)系中。一般說來，前兩種方式的處理，其相鄰測(cè)站間往往需要部分重疊，而最后一種方式的處理，則不一定需要測(cè)站間的重疊。工程應(yīng)用中常用的坐標(biāo)配準(zhǔn)方法為配對(duì)方式。
5．三維建模
利用Cyclone軟件提供的豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能，通過選取、截取、圍欄選定的點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配生成面和復(fù)雜形體表面的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），建成三維模型。
3.2 古建筑保護(hù)方面的應(yīng)用
古建筑數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和處理是進(jìn)行數(shù)字化文物保護(hù)的前提和基礎(chǔ)，地面三維激光掃描技術(shù)能快速完成實(shí)體表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的掃描測(cè)量工作，獲得大量精確、密集的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將這些復(fù)雜、不規(guī)則的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而構(gòu)建出實(shí)體表面的三維模型。點(diǎn)云文件能以坐標(biāo)測(cè)量、切片瀏覽、表面處理和三維建模四種使用方式滿足文保研究工作的需求，在古建筑測(cè)量方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)掃描需求，確定掃描總站數(shù)和掃描儀安放位置，依據(jù)掃描方案依次完成掃描。由其掃描所得的初步資料是一群密布點(diǎn)云的三維坐標(biāo)群，這些點(diǎn)云需使用后處理軟件進(jìn)行拼接與去噪才能得到適用的空間信息。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理以后，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[6]。由于大型復(fù)雜的建筑物是以分塊多測(cè)站的形式掃描的，而每個(gè)測(cè)站掃描后所得到的影像都是在以測(cè)站為坐標(biāo)原點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系下的圖像，所以需將所有分站掃描得到的影像歸化到同一坐標(biāo)系下，從而完成各測(cè)站的獨(dú)立坐標(biāo)系向統(tǒng)一坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以后的數(shù)據(jù)，是具有精確地理坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，可以被以任意方式進(jìn)行剖切表現(xiàn)[7,8]。點(diǎn)云模型還可輸出導(dǎo)入到傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助繪圖設(shè)計(jì)軟件和GIS 軟件中，如AutoCAD、ArcGIS等。
建筑物模型重建的主要目的是恢復(fù)建筑物屋頂?shù)拿恳粋€(gè)面片的高度、形狀、位置、方向，以及面片之間的關(guān)系。通過建筑物階躍邊緣特征和屋頂面片的檢測(cè)處理，可以基本上提供建筑物模型重建所需的元素，然后需要將這些元素組合成為建筑物模型。階躍邊緣和屋脊線提供了建筑物的線特征，但是這些特征沒有連接起來成為閉合的區(qū)域。屋頂面片提供了每一個(gè)屋頂?shù)姆较蚝痛笾碌倪吔纾牵瑢?duì)于與具有規(guī)則幾何形狀的建筑物模型的目標(biāo)之間，仍然有一定的距離[9]。
古建筑物掃描所得結(jié)果需要進(jìn)行處理和保存，可以建立古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)組織和管理。該數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)該是空間位置信息與屬性信息的有機(jī)結(jié)合，即空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，前者由柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)組成，后者可根據(jù)文物保護(hù)工作設(shè)計(jì)，如：建筑面積、材質(zhì)、位置、歷史文化信息等。
目前要解決的問題就是：如何利用這些特征線和屋頂面片的點(diǎn)，在保證面片之間鄰接關(guān)系的前提下，恢復(fù)出每一個(gè)面片的邊界。屋頂面片和特征線均通過自動(dòng)處理獲取，雖然前文采用多種手段進(jìn)行處理以提高檢測(cè)的效果，但總是或多或少地存在一定的問題，如：漏檢測(cè)、坐標(biāo)偏差，以及碎片等。也就是說，已有的數(shù)據(jù)是不完備的，需要從這些不完備的數(shù)據(jù)中恢復(fù)建筑物模型。分裂合并算法是解決這類問題的一種重要而有效的方法，武漢大學(xué)的黃先鋒博士提出了利用已有的建筑物特征線，通過BSP樹進(jìn)行約束對(duì)屋頂面片進(jìn)行分裂合并處理的建筑物模型重建方法[10]。
4 總結(jié)
三維激光掃描技術(shù)可以快速獲得物體表面的三維坐標(biāo)，對(duì)三維重建的質(zhì)量有重要的意義，它的應(yīng)用日益廣泛。本文在對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)原理和技術(shù)介紹的基礎(chǔ)上，探討了該系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)獲取、古建筑物保護(hù)方面的應(yīng)用，并分析了各種應(yīng)用中的特點(diǎn)、原理和存在的主要問題。
參考文獻(xiàn)
[1] 李清泉, 李必軍, 陳靜. 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用研究[J]. 武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 25(5)
[2] 范海英. 三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2009 2(11)：34-35
[3] 王建文，李青. 對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)的研究和改進(jìn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2009
[4] 吳險(xiǎn)峰. 三維激光彩色掃描儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2004
[5] Rau, J.-Y. and L.-C. Chen. Robust Reconstruction of Building Models from Three-Dimensional Line Segments[J]. PE&RS 2003, 69(2)
[6] 邢昱，范張偉，吳瑩. 基于GIS與三維激光掃描的古建筑保護(hù)研究[J]. 地理空間信息, 2009 7(1)：88-91
[7] 周波，李東輝，聶楠楠. 攝影測(cè)量中一種新的編碼點(diǎn)識(shí)別和提取算法. 自動(dòng)化與儀器儀表. 2009 2：75-77，99
[8] 孟放. 大型三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的交互繪制研究[D]. 北京: 北京大學(xué), 2005
關(guān)鍵詞：地形測(cè)繪 三維激光掃描技術(shù) 應(yīng)用
中圖分類號(hào)：P234.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）02-0089-01
以往的地形測(cè)繪成圖是利用GPS設(shè)備、人工攜帶全站儀等儀器，采集野外有限個(gè)測(cè)點(diǎn)信息，經(jīng)專業(yè)軟件處理后再生成圖的形式。傳統(tǒng)方法雖然較為穩(wěn)定，但測(cè)繪人員要面對(duì)一些危險(xiǎn)性較大的區(qū)域和難以達(dá)到的高難度邊坡位置，數(shù)據(jù)采集時(shí)間也較長(zhǎng)，測(cè)繪人員工作強(qiáng)度大，稍不留神，容易導(dǎo)致意外事故。三維激光掃描技術(shù)改變了傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)流程，縮短了外業(yè)工作時(shí)間，降低了測(cè)繪人員勞動(dòng)強(qiáng)度和難度，提高了測(cè)繪成果的質(zhì)量。
1 三維激光掃描技術(shù)相關(guān)概述
1.1 三維激光掃描技術(shù)
三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命，突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，它和傳統(tǒng)的GPS測(cè)量方式比起來具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以，一些高精度高分辨率的數(shù)字地形模型也可通過三維激光掃描技術(shù)來獲取。按照測(cè)量方式可劃分為基于三角測(cè)距原理、基于脈沖式和基于相位差三種，按用途可分為室內(nèi)和室外，概括來說就是長(zhǎng)短距離不同的原理。通常基于脈沖式的三維激光掃描技術(shù)測(cè)程都較長(zhǎng)，最遠(yuǎn)可達(dá)到6公里。而基于相位差原理的三維激光掃描技術(shù)測(cè)程就不如脈沖式，它的測(cè)程較短，只有百米左右。
1.2 特點(diǎn)
三維激光掃描具有三維掃描和快速掃描的特點(diǎn)。
傳統(tǒng)測(cè)量概念里，幾乎最終輸出的數(shù)據(jù)都是二維結(jié)果（如CAD出圖），在目前測(cè)量所使用的儀器當(dāng)中全站儀、GPS占據(jù)大量的比例，然而測(cè)量出的數(shù)據(jù)都是二維形式的。但三維激光掃描技術(shù)每次測(cè)量出的數(shù)據(jù)都涵蓋大量的測(cè)量信息，如R，G，B顏色信息，X，Y，Z點(diǎn)的信息，甚至物體反色率的信息也能同時(shí)反應(yīng)出來，是傳統(tǒng)測(cè)量手段無法企及的。
快速掃描是掃描儀誕生產(chǎn)生的概念，快速掃描的測(cè)量速度能達(dá)到每秒1000點(diǎn)，而常規(guī)的測(cè)量手段，每一點(diǎn)的測(cè)量都會(huì)浪費(fèi)2～5秒不等，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)正好改變了此現(xiàn)象，提高了工作效率和質(zhì)量。
1.3 工作原理
三維激光掃描技術(shù)在進(jìn)行探測(cè)和測(cè)距時(shí)利用了光來獲取對(duì)象表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，達(dá)到三維場(chǎng)景重建和提取地表信息的目的。完整的三維激光掃描系統(tǒng)需要有以下幾個(gè)方面共同組成：激光測(cè)距系統(tǒng)、高精度動(dòng)態(tài)GPS差分定位系統(tǒng)（DGPS）和高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（INS）。它首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號(hào)并經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡射向目標(biāo)，之后運(yùn)用探測(cè)器接收反射回來的激光脈沖信號(hào)，記錄器將過程所產(chǎn)生的信號(hào)給詳細(xì)的記錄下來，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，測(cè)繪人員通過數(shù)據(jù)信息進(jìn)行識(shí)別，將信息經(jīng)軟件處理后實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模輸出。
1.4 數(shù)據(jù)采集與處理
點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指通過3D掃描儀獲取的海量點(diǎn)數(shù)據(jù)，完整的三維激光掃描技術(shù)脫離不開INS數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，三維激光掃描主要獲取的是離散三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有利于將細(xì)節(jié)信息和劇烈變化的地物和地形給展現(xiàn)出來。點(diǎn)云數(shù)據(jù)反射強(qiáng)度信息和地表物體對(duì)激光的作用信息，為進(jìn)一步點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理提供參考。數(shù)據(jù)采集中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，最后創(chuàng)建出的三維模型質(zhì)量也受其影響。數(shù)據(jù)采集工作流程為：現(xiàn)場(chǎng)勘查――相掃――精掃反射體――對(duì)目標(biāo)區(qū)域的精掃――拍攝場(chǎng)景照片。數(shù)據(jù)處理流程也分為三個(gè)步驟，（1）校準(zhǔn)；為了統(tǒng)一相機(jī)坐標(biāo)系和掃描儀坐標(biāo)系，只有統(tǒng)一好這個(gè)坐標(biāo)系后，地貼紋理才能準(zhǔn)確。（2）消除噪點(diǎn)；由于一些不可抗拒的因素或測(cè)量?jī)x器等原因，不可避免會(huì)出現(xiàn)噪點(diǎn)，會(huì)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，所以在操作點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前，先清楚噪點(diǎn)。（3）點(diǎn)云的拼接；確定統(tǒng)一坐標(biāo)系是點(diǎn)云拼接的前提，可以用項(xiàng)目坐標(biāo)系PRGS作為統(tǒng)一的坐標(biāo)系，及時(shí)不使用全站儀也可以。
2 三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪成圖中的應(yīng)用
（1）采集野外數(shù)據(jù)；考察測(cè)區(qū)周圍環(huán)境，判斷掃描儀、測(cè)站數(shù)和標(biāo)靶的位置，盡量選擇少的測(cè)站，使原始的數(shù)據(jù)量有所減少，保證完整的測(cè)量區(qū)域能用各掃描占最終獲取的數(shù)據(jù)。同步獲取紋理數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理匹配。選擇相應(yīng)的采樣進(jìn)度要根據(jù)不同的比列尺寸要求，掃描采用逐站的方式。
（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理；通常激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理步驟包括如圖1所示：
掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，其獲取都來自不同站點(diǎn)，統(tǒng)一至一個(gè)坐標(biāo)系需要對(duì)掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行正確匹配，便于建模和定量化分析目標(biāo)，正確的匹配方法也有所不同，①精確地理坐標(biāo)可通過GPS提供各個(gè)掃描站點(diǎn)，使固定的地理坐標(biāo)系中涵蓋所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此類方法能使所有點(diǎn)云的真實(shí)地理位置可以準(zhǔn)確獲得，為后期數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。消除地形重采樣和手工點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲，通常這些噪聲中包含空氣懸浮物，電線桿等。分割處理的點(diǎn)云，利于建模處理感興趣的目標(biāo)物。
（3）地物的繪制和提取。
提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可利用三維激光掃描技術(shù)后期處理軟件，如Gyclone軟件，地物特征點(diǎn)可以在點(diǎn)云視圖中手工提取，之后在文本文件中輸出相應(yīng)的格式，如E，H，F(xiàn)eature等，可以直接導(dǎo)入測(cè)繪圖軟件來繪制地物。
3 結(jié)語
總之，三維激光掃描技術(shù)來可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)地形測(cè)繪工作的許多不足之處，它快速、細(xì)致和高精度的特點(diǎn)減少了測(cè)繪人員的作業(yè)時(shí)間和強(qiáng)度，使測(cè)繪效率大幅度得以提高。地形測(cè)繪中，一些難以開展數(shù)據(jù)采集的高難度區(qū)域通過三維激光掃描技術(shù)可以快速順利完成數(shù)據(jù)采集工作。三維激光掃描技術(shù)的深入研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，但是三維激光掃描技術(shù)也有外界環(huán)境條件、點(diǎn)云數(shù)據(jù)與目標(biāo)物體反射面等不足之處，所以在使用過程中應(yīng)盡可能客服上述不足之處，以便獲取高精度的測(cè)繪成果。
參考文獻(xiàn)
[1]孫德鴻，王占超.三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)研究中的應(yīng)用（二）[J].測(cè)繪通報(bào)，2011，（4）：85-86.
Abstract: This paper briefly introduces the characteristics of 3D laser scanning technology and its data processing method, summarizes the application of 3D laser scanning technology in measurement field and points out the prospect of 3D laser scanning technology.
關(guān)鍵詞： 三維激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；測(cè)量
Key words: 3D laser scanning technology；point cloud data；measure
中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2012）15-0209-01
0引言
三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)迅速發(fā)展的高新技術(shù)，它的出現(xiàn)為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)主要采用激光測(cè)距原理，瞬時(shí)測(cè)得空間三維坐標(biāo)值。其巨大優(yōu)勢(shì)就在于可以快速掃描被測(cè)物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣一來可以高效地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。目前此項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、地形測(cè)量、城市規(guī)劃、智能交通、防震減災(zāi)等領(lǐng)域。
1三維激光掃描系統(tǒng)簡(jiǎn)介
三維激光掃描系統(tǒng)按照掃描平臺(tái)的不同可以分為：機(jī)載（或星載）激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。
機(jī)載激光掃描系統(tǒng)是指在飛機(jī)上搭載激光雷達(dá)、數(shù)字相機(jī)和定位定姿裝置，以獲取具有影像真實(shí)感的高精度數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）的新型測(cè)繪裝備。系統(tǒng)通過掃描裝置，沿航線采集地面點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，通過特定方程解算處理成適當(dāng)?shù)挠跋裰担蓴?shù)據(jù)影像和地面高程模型。
地面型三維激光掃描系統(tǒng)是在地面利用激光掃描裝置自動(dòng)、系統(tǒng)、快速（準(zhǔn)實(shí)時(shí)）獲取對(duì)象表面的三維坐標(biāo)的測(cè)量技術(shù)，能在幾分鐘內(nèi)對(duì)所感興趣的區(qū)域建立詳盡準(zhǔn)確的三維立體影像，能提供準(zhǔn)確的定量分析。
便攜式激光掃描系統(tǒng)使得對(duì)物體進(jìn)行照相測(cè)量成為可能，所謂照相測(cè)量，就是類似于照相機(jī)對(duì)視野內(nèi)的物體進(jìn)行照相，不同的是照相機(jī)攝取的是物體的二維圖像，而研制的測(cè)量?jī)x獲得的是物體的三維信息。
2三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)
作為一種新的測(cè)量手段，三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比有如下優(yōu)點(diǎn)：①掃描速度快，地面三維激光掃描儀可在短時(shí)間內(nèi)獲取空間目標(biāo)的三維信息；②非接觸式工作，掃描儀發(fā)射激光束在測(cè)量目標(biāo)自動(dòng)反射，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)目標(biāo)、不可達(dá)目標(biāo)的測(cè)量；③數(shù)據(jù)信息豐富，可以在進(jìn)行空間三維坐標(biāo)測(cè)量的同時(shí)，獲取目標(biāo)表面的激光強(qiáng)度信號(hào)和真彩色信息，為目標(biāo)的識(shí)別和分類提供了更多途徑；④主動(dòng)性工作，自動(dòng)發(fā)射測(cè)量信號(hào)，不需要外部光源配合，可在白天黑夜全天侯作業(yè)，提高了作業(yè)效率；⑤高精度，地面激光掃描能以高精度的方式獲取目標(biāo)的表面特征；⑥高密度，激光掃描同時(shí)能以高密度的方式獲取目標(biāo)表面細(xì)部特征；⑦可量測(cè)，可以直接在點(diǎn)云上獲取三維坐標(biāo)、距離、方位角、表面法向量，還可以計(jì)算得到點(diǎn)云所表達(dá)目標(biāo)的表面積、體積等。
3三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理
利用三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)體三維幾何模型時(shí)，不同的應(yīng)用對(duì)象、不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特性，三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的過程和方法也不盡相同。概括地講，整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建和模型可視化。數(shù)據(jù)采集是模型重建的前提，數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低模型重建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的精確度和速度；數(shù)據(jù)預(yù)處理階段涉及的內(nèi)容有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、不同站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及融合等；模型重建階段涉及的內(nèi)容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡(jiǎn)化和紋理映射等。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及建模需求，選用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理策略和方法。
4三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用
三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并在測(cè)繪領(lǐng)域體現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用。如夏國(guó)芳等[1]就探討了采用三維激光掃描測(cè)量技術(shù)來獲取隧道的縱橫斷面樁號(hào)里程以及高程數(shù)據(jù)的方法。他們利用三維激光掃描技術(shù)，得到了完整的隧道點(diǎn)云模型,等同于對(duì)隧道真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字重現(xiàn)，因此在數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理過程中，可以通過外業(yè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)靈活地繪制出隧道的橫縱斷面圖。武漢大學(xué)的王曉昳[2]則介紹了三維激光掃描技術(shù)在地籍調(diào)查中的應(yīng)用，包括高精度的宗地面積的量算，生動(dòng)形象的三維圖像的生成以及快速建模以輔助地籍信息系統(tǒng)的建設(shè)。徐進(jìn)軍等[3]則將該技術(shù)引入到滑坡變形監(jiān)測(cè)與分析中，通過充分利用滑坡體上的大量點(diǎn)自然地物作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，來完整監(jiān)測(cè)和分析其變形，并獲得了初步滿意的結(jié)果，表明采用三維激光掃描測(cè)量來快速建立滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以滿足臨滑預(yù)報(bào)要求。丁繼勝等則介紹了該技術(shù)在海岸帶測(cè)量、水深測(cè)量及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用，并結(jié)合空載激光掃描測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展給出了一定的建議。黃義敏等通過激光掃描測(cè)量技術(shù)建立了高精度的水利樞紐工程構(gòu)造物三維可視化數(shù)字地面模型，可對(duì)構(gòu)造物任意點(diǎn)、任意尺寸或角度進(jìn)行量測(cè)和校驗(yàn)，進(jìn)行有效的測(cè)量精度分析，并給出限差報(bào)告，同時(shí)還根據(jù)工程需要生成了平面圖、縱、橫剖面圖、等高（深）線圖，計(jì)算面（體）積，進(jìn)行工程放樣等。
5結(jié)束語
三維激光掃描技術(shù)作為迅速發(fā)展的測(cè)量技術(shù)，它具有傳統(tǒng)測(cè)量手段無可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在速度快、精度高、使用方便、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、受外界環(huán)境影響小等方面，因此它的普及應(yīng)用將大大降低生產(chǎn)成本和提高工作效率。伴隨三維激光掃描技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，充分發(fā)掘三維激光掃描技術(shù)的在測(cè)量領(lǐng)域的利用價(jià)值，將會(huì)給測(cè)量學(xué)科帶來新的發(fā)展機(jī)遇，也將給廣大測(cè)量工作者創(chuàng)造更好的工作條件。
參考文獻(xiàn)：
[1]夏國(guó)芳，王晏民.三維激光掃描技術(shù)在隧道橫縱斷面測(cè)量中的應(yīng)用研究.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，26（03）.
關(guān)鍵詞：三維激光掃描；文物考古；點(diǎn)云；數(shù)字線劃圖；模型
中圖分類號(hào)：K85文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
三維激光掃描技術(shù)概述
三維激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是20 世紀(jì) 90 年代中期出現(xiàn)的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，其革命性的數(shù)據(jù)采集方式開創(chuàng)了面式數(shù)據(jù)采集的新紀(jì)元，因其滿足了文物考古測(cè)繪領(lǐng)域非接觸、高速度、高密度、全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集要求，在短短幾年時(shí)間內(nèi)迅速在考古發(fā)掘、古建筑測(cè)繪等文物保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
（一）工作原理
三維激光掃描技術(shù)，通過內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過被測(cè)目標(biāo)，信號(hào)接收器接收來自目標(biāo)體反射回來的激光脈沖，通過每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)（云點(diǎn)），進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。
（二）三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)
非接觸式
三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，不需反射棱鏡，直接對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面云點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險(xiǎn)、環(huán)境惡劣、人員無法到達(dá)的情況下，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法完成，此時(shí)三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。
數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)
三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機(jī)、GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)展性。
高分辨率
三維激光掃描技術(shù)可以進(jìn)行快捷、高質(zhì)量、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。
應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)
由于其良好的技術(shù)特點(diǎn)，在工程建設(shè)各領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。對(duì)使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適合野外測(cè)量。
三維激光掃描在文物考古中的實(shí)施步驟及應(yīng)用成果
（一）實(shí)施步驟
三維激光掃描作為一種獲取三維空間信息手段，其工作流程與傳統(tǒng)的測(cè)量手段有很多的相似之處但也有其自身的特點(diǎn)。主要過程和技術(shù)要點(diǎn)如下圖所示：
圖 三維激光掃描工作流程圖
（二）應(yīng)注意的問題
1、現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)，認(rèn)真分析現(xiàn)場(chǎng)地形、地物分布特點(diǎn)，合理設(shè)置掃描站點(diǎn)，盡量的避免掃描盲區(qū)的出現(xiàn)，重點(diǎn)保證重要的地形、地物不會(huì)在盲區(qū)中出現(xiàn)。
2、對(duì)古建掃描時(shí)，建議對(duì)不同的部分采用不同分辨率掃描。比如對(duì)地面或者表面平整的墻壁，天花板等可采用較小的分辨率（一般情況下2cm）。但對(duì)于體形較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)建要用相對(duì)密集的點(diǎn)云表示（毫米級(jí)），有時(shí)候要用最大掃描密度來掃描（比如對(duì)分布在帶有浮雕的墻壁、柱子等）。
3、使用外置相機(jī)系統(tǒng)拍攝照片時(shí)，可以在掃描之前自然光線較好的條件拍攝，因?yàn)榭赡茉趻呙柰戤吅螅瑸闀r(shí)已晚或遇到下雨天氣等情況，耽誤了拍照的時(shí)機(jī)。拍照時(shí)可設(shè)置自動(dòng)包圍曝光，每個(gè)場(chǎng)景有三張照片：當(dāng)前曝光值照片、正補(bǔ)償值照片、負(fù)補(bǔ)償值照片，然后內(nèi)業(yè)在作選擇。
（三）應(yīng)用成果
1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)
代表掃描對(duì)象的一個(gè)個(gè)“測(cè)點(diǎn)”形成的“點(diǎn)集合”構(gòu)成了三維激光掃描最原始的成果，稱為“點(diǎn)云”。點(diǎn)云雖然經(jīng)過了掃描算法的處理，但相對(duì)于傳統(tǒng)單點(diǎn)式測(cè)量方法所具有的高密度和全息化的特點(diǎn)，可作為原始資料進(jìn)行存檔。同時(shí)，點(diǎn)云作為掃描對(duì)象的全數(shù)字化實(shí)景模型，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的真實(shí)量測(cè)。在考古挖掘的不同階段，對(duì)挖掘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描，可實(shí)現(xiàn)考古挖掘行為的動(dòng)態(tài)化管理和考古過程數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，借助于高精度的地面控制網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)文物建筑遺產(chǎn)的連續(xù)性掃描監(jiān)測(cè)。
2、二維數(shù)字線劃圖
二維數(shù)字線劃圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域所習(xí)用的工程語言，三維激光掃描系統(tǒng)為繪制不同部位、不同方向的二維數(shù)字線劃圖提供了強(qiáng)大的繪制功能，使處于前端的文物測(cè)繪調(diào)查工作和后續(xù)的保護(hù)規(guī)劃制定、修繕工程設(shè)計(jì)、施工等實(shí)現(xiàn)了無縫對(duì)接。二維線劃圖的繪制根據(jù)測(cè)繪對(duì)象的特點(diǎn)可以采用下述幾種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn):
（1）對(duì)于局部構(gòu)件的繪制，直接在點(diǎn)云上量取繪圖所需要的長(zhǎng)、寬、高數(shù)據(jù)，然后借助繪圖工具繪制二維圖；
（2）對(duì)于剖面圖等截割投影圖，根據(jù)繪圖部位和繪制精度形成繪圖區(qū)域的點(diǎn)云“切片”，將點(diǎn)云切片導(dǎo)入 AUTO-CAD 等圖形繪制軟件形成二維線劃圖；
（3）對(duì)于空間關(guān)系不明顯、不易識(shí)別的測(cè)繪對(duì)象，借助高分辨率照片形成被測(cè)對(duì)象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。
二維線劃圖是對(duì)被測(cè)對(duì)象高度抽象化的結(jié)果，抽象的過程不可避免地造成了大量信息損失。實(shí)際上，在許多情況下二維線劃圖無法完整表達(dá)邊界模糊對(duì)象的真實(shí)情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補(bǔ)充表現(xiàn)方式，基于三維激光掃描點(diǎn)云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時(shí)又兼具普通相片高分辨率、易于辨識(shí)的優(yōu)勢(shì)，較好地解決了“邊界模糊類對(duì)象”難以精細(xì)化表達(dá)的難題。利用這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)“邊界模糊類對(duì)象”的數(shù)字化監(jiān)測(cè)。譬如，通過比對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)壁畫的高清晰正攝影像圖，可精細(xì)地描述壁畫顏色、形態(tài)等的變化。
高程模型和三維模型
對(duì)雕像等這類由連續(xù)曲面構(gòu)成的測(cè)繪對(duì)象，以等值線的形式表現(xiàn)的數(shù)字高程模型是其最基本的表現(xiàn)方式。相對(duì)于以往全站儀單點(diǎn)測(cè)繪，三維激光掃描技術(shù)高密度點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)了等值線精細(xì)測(cè)繪和三維建模。
此外，由于三維激光掃描結(jié)合傳統(tǒng)控制測(cè)量可以較容易得到點(diǎn)云統(tǒng)一的地理坐標(biāo)屬性，據(jù)此建立的三維模型可很方便實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的三維漫游。
4、平面圖、立面圖、剖面圖
建筑物的線畫圖作是傳統(tǒng)建筑測(cè)繪的成果之一，是建筑物的測(cè)繪圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖。這些二維的圖件可以表示房屋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造形式、分層情況，說明建筑物的長(zhǎng)、寬、高的尺寸，地面標(biāo)高，層頂?shù)男问剑T窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設(shè)計(jì)形式和各部位的聯(lián)系、材料及其高度等。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是手工描繪加皮尺測(cè)量。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可在Auto CAD中利用Cloud worx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面圖。不但生產(chǎn)速度大大提高，且更簡(jiǎn)單，能讓現(xiàn)有CAD技術(shù)人員充分利用自有的CAD制圖技術(shù)。
5、彩色點(diǎn)云網(wǎng)上
掃描的彩色點(diǎn)云可以在互聯(lián)網(wǎng)上，讓遠(yuǎn)方的人可以通過互聯(lián)網(wǎng)有如置身于真實(shí)的建筑物之中。的點(diǎn)云不但可以網(wǎng)上瀏覽，還可以實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的量測(cè)、標(biāo)注等。有利于數(shù)據(jù)共享和現(xiàn)有文物、建筑物的網(wǎng)上展示，宣傳。尤其是對(duì)于一些不宜長(zhǎng)期向公眾開放的文物景點(diǎn)，通過網(wǎng)上的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以滿足公眾的網(wǎng)上虛擬瀏覽的需求，也有利于文物保護(hù)工作的開展。
（三）傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用
三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)測(cè)量方法不具備的諸多優(yōu)勢(shì)，如變 “單點(diǎn)采集”為批量面式采集、實(shí)現(xiàn)了“外業(yè)測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)化”、“非接觸”工作方式不需要測(cè)量輔助設(shè)施、“所見即所得”的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了考古過程記錄的定量化和動(dòng)態(tài)“回放”。無論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機(jī)載掃描儀，為了得到掃描目標(biāo)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，都需要從不同掃描站對(duì)同一目標(biāo)的不同部分進(jìn)行掃描，然后將各個(gè)掃描站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起。數(shù)據(jù)拼接是三維掃描的最核心環(huán)節(jié)，但單憑三維掃描技術(shù)本身很難實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云高精度拼接。
將傳統(tǒng)測(cè)量方法與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，是解決上述問題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)使整個(gè)點(diǎn)云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測(cè)站數(shù)外，還需要在掃描測(cè)繪過程中引入控制測(cè)量的思想，按照“先控制，后碎部；從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內(nèi)。掃描測(cè)繪前，首先利用精密水準(zhǔn)儀、電子全站儀、衛(wèi)星定位儀等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器布設(shè)三維掃描控制網(wǎng)，測(cè)算各個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)；在外業(yè)掃描過程中同步測(cè)量拼接點(diǎn)的大地坐標(biāo)，將單一測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)直接納入大地測(cè)量坐標(biāo)系中，提高拼接精度的同時(shí)，保證測(cè)繪對(duì)象不同部位的精度均勻。對(duì)于三維激光掃描無法測(cè)量的隱蔽部位可充分利用傳統(tǒng)手工測(cè)量的靈活性特點(diǎn)以彌補(bǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1]白成軍．三維激光掃描在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用[D].天津大學(xué)建筑學(xué)院，2007.
1工程概況及作業(yè)流程
1.1工程概況廣州市南豐國(guó)際會(huì)展中心坐落于廣州市海珠區(qū)琶洲島，包括南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心和南豐國(guó)際會(huì)展中心共兩幢大樓，集商業(yè)寫字樓、五星級(jí)酒店等于一體的現(xiàn)代商務(wù)貿(mào)易中心，驗(yàn)收總建筑面積為28.3萬m2，如圖1所示。會(huì)展中心外形獨(dú)特時(shí)尚，層層交錯(cuò)橫縱;塔樓設(shè)計(jì)又宛如隨意凌亂堆放的方塊疊在一起，每個(gè)方塊即每一層都是錯(cuò)亂而有序的疊搭;裙樓設(shè)計(jì)很具有傾斜線條美，或是向外傾斜，或是向內(nèi)傾斜。由于其現(xiàn)代幾何式立面結(jié)構(gòu)，采用全站儀設(shè)站方式較難以準(zhǔn)確測(cè)量出裙樓傾斜面各樓層的平面位置，與交錯(cuò)重疊的塔樓各樓層平面位置以及在裙樓不同傾斜角之間和塔樓各“方塊”之間進(jìn)深不一的眾多凹角，這給我們的傳統(tǒng)規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量帶來了挑戰(zhàn)。1.2作業(yè)流程鑒于上述對(duì)會(huì)展中心異形建筑物竣工驗(yàn)收的分析，項(xiàng)目組應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行竣工驗(yàn)收測(cè)量。其作業(yè)流程如圖2所示，主要內(nèi)容包括:控制測(cè)量、外業(yè)掃描測(cè)量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、竣工圖核對(duì)、三維建模、建筑面積計(jì)算、平立面圖繪制、竣工地形圖繪制等。
2三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集
2.1控制測(cè)量為滿足建筑工程規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量精度的要求，本工程以《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，布設(shè)一級(jí)靜態(tài)GPS控制網(wǎng)，共測(cè)設(shè)靜態(tài)控制點(diǎn)4個(gè)，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)8km(如圖3所示)。一級(jí)控制網(wǎng)起算點(diǎn)選用工程附近廣州市三等以上平面控制點(diǎn)，為提升整網(wǎng)精度，起算點(diǎn)范圍涵蓋4個(gè)一級(jí)控制點(diǎn)，高程控制以附近二等基巖水準(zhǔn)控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。采用一級(jí)GPS控制網(wǎng)和四等水準(zhǔn)不僅可以保證規(guī)劃驗(yàn)收控制測(cè)量的精度，還能將驗(yàn)收測(cè)量成果接入廣州市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。2.2激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集本工程采用RIEGLVZ－400三維激光掃描儀，其反射距離為500m。依據(jù)會(huì)展中心建筑物異形的特點(diǎn)，本次三維激光掃描主要采用了以下兩種方式:①單站絕對(duì)定向模式:三維激光掃描測(cè)站與靶標(biāo)(類似全站儀的棱鏡)布設(shè)在圖根點(diǎn)上，并設(shè)置掃描相應(yīng)參數(shù)，執(zhí)行掃描。②無靶標(biāo)相對(duì)定向:采用無靶標(biāo)方式，直接對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行掃描。掃描站點(diǎn)的坐標(biāo)量測(cè)利用“廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)”和廣州市似大地水準(zhǔn)面，對(duì)三維激光掃描儀中內(nèi)置的GPS定位功能進(jìn)行開發(fā)，使得三維激光掃描儀在掃描測(cè)量建筑物的同時(shí)測(cè)量掃描站的RTK坐標(biāo)，從而提高了外業(yè)作業(yè)速度和內(nèi)業(yè)配準(zhǔn)效率。工程實(shí)施過程中，對(duì)兩幢樓的掃描采用精掃模式。南豐匯環(huán)球展貿(mào)中心共掃描27站，其中10站為在裙樓上進(jìn)行掃描，共采用標(biāo)靶9個(gè)，貼于建筑物幕墻或者特征比較明顯的電線桿等物體上。南豐國(guó)際會(huì)展中心共掃描30站，其中9站為在裙樓上進(jìn)行掃描，共采用標(biāo)靶10個(gè)，同時(shí)用全站儀對(duì)標(biāo)靶和測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。其中南豐國(guó)際會(huì)展中心采集站點(diǎn)如圖4所示。
3三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)處理
3.1掃描測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)建筑物掃描后，需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)和點(diǎn)云配準(zhǔn)等工作。(1)點(diǎn)云去噪與修補(bǔ)獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，會(huì)由于灌木叢遮擋，自身遮擋，玻璃透射等原因造成了大量的空洞和噪音，致使原始點(diǎn)云質(zhì)量較差，需要進(jìn)行去噪、補(bǔ)洞等處理。首先在地面三維激光掃描儀的配套軟件RiscanPro中去除偏差較大的噪音后，后在GeomagicStudio中進(jìn)一步去噪與交互式操作補(bǔ)洞。(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的兩種方式，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作同樣采用與之相對(duì)應(yīng)的兩種模式。①后視定向配準(zhǔn)對(duì)于起始測(cè)站采用靶標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，輸入測(cè)站坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)，采用RieGLRiscan中后視定向配準(zhǔn)模塊進(jìn)行配準(zhǔn)，從而確定整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全局坐標(biāo)。②站站間配準(zhǔn)首先要進(jìn)行粗配，可以采用兩種方法:a、選擇同名特征點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，該方法適用于同名點(diǎn)特征明顯的，至少要選擇4個(gè)同名點(diǎn)，同名點(diǎn)應(yīng)盡量選擇房屋角、線桿頂?shù)燃怃J地物點(diǎn);b、根據(jù)人工交互式移動(dòng)測(cè)站，使未配準(zhǔn)站移動(dòng)到已配準(zhǔn)站的對(duì)應(yīng)位置，匹配精度以能夠執(zhí)行自動(dòng)精確匹配為準(zhǔn)。粗配結(jié)束，采用軟件自動(dòng)精確精配，提高配準(zhǔn)精度，配準(zhǔn)誤差在0.01m以內(nèi)，方可進(jìn)行下一站配準(zhǔn)。如圖5所示為南豐國(guó)際會(huì)展中心各測(cè)站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。3.2建筑物面積測(cè)算(1)采用切片法提取特征線設(shè)計(jì)合適的切片厚度對(duì)配準(zhǔn)之后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每一層進(jìn)行X－Y水平面切面處理，通過提取特征點(diǎn)得到建筑物每一樓層特征線，從而計(jì)算該樓層建筑面積。(2)建筑面積計(jì)算采用切片法提取得到的每一樓層特征線，并通過輸出繪圖交換文件(dxf格式文件)，將其導(dǎo)入CAD軟件，在數(shù)據(jù)工程編輯狀態(tài)下繪制建筑物線劃圖，從而計(jì)算建筑物面積。3.3立面圖繪制根據(jù)建筑物竣工驗(yàn)收要求，核對(duì)建筑物竣工立面圖是一項(xiàng)重要工作，本項(xiàng)目根據(jù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的建筑物竣工立面圖與建設(shè)單位提供的竣工建筑物立面圖進(jìn)行對(duì)比，可清晰了解其立面圖的實(shí)際尺寸，與現(xiàn)場(chǎng)符合情況等。本工程的立面圖繪制流程如圖6所示，采用項(xiàng)目組自主研發(fā)軟件Laserscanner，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型進(jìn)行主立面投影，并采用三維量測(cè)模式進(jìn)行量測(cè)，輸出繪圖交換dxf文件，將其導(dǎo)入CAD軟件中，在規(guī)劃管理工程模板下，并根據(jù)地面LiDAR部件高分辨率數(shù)碼相機(jī)所獲得的高清晰圖片，進(jìn)行立面線劃圖繪制。采用三維激光掃描儀進(jìn)行建筑物竣工測(cè)量，其中最終產(chǎn)品之一的是建立目標(biāo)物的三維模型，如圖7所示，并可在模型上提取斷面圖，進(jìn)行量測(cè)、面積計(jì)算等。根據(jù)點(diǎn)云經(jīng)過建模處理之后繪制的塔樓竣工立面圖，如圖8所示。
4結(jié)果分析
以南豐國(guó)際中心第9層為例(如圖9所示)，下圖為經(jīng)過X－Y水平面切面處理截留的點(diǎn)云平面圖，并與全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)(紅色線為全站儀觀測(cè))。項(xiàng)目采用地面三維激光掃描儀結(jié)合全站儀觀測(cè)，還以南豐國(guó)際會(huì)展中心第9層為例，對(duì)該點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行再次濾波去噪處理，并將其連接成線，并與全站儀觀測(cè)數(shù)對(duì)比，各角點(diǎn)坐標(biāo)比較如表1所示。由于兩幢樓塔樓各樓層中心均有中空，采用全站儀觀測(cè)計(jì)算南豐國(guó)際會(huì)展中心第9層面積為3134.0km2(未扣除中空面積)，三維激光掃描儀計(jì)算面積為3133.1km2，面積相差甚小。
5總結(jié)
城市化進(jìn)程中的異形建筑增多、規(guī)劃管理復(fù)雜化，傳統(tǒng)二維竣工測(cè)量已不能滿足規(guī)劃管理的要求。三維激光掃描儀以其自身的技術(shù)特點(diǎn)，能夠獲取一些全站儀難以采集到的建筑物角點(diǎn)，本文以廣州市會(huì)展中心某異形建筑為工程實(shí)例，來驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測(cè)量中的可行性。首先對(duì)三維竣工測(cè)量作業(yè)流程進(jìn)行了總體闡述，繼而介紹了三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集中的控制測(cè)量和激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集流程與技術(shù)，最后對(duì)三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的掃描測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、建筑物面積測(cè)算和立面圖繪制三個(gè)關(guān)鍵過程進(jìn)行了分析研究。三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)與全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，點(diǎn)位和面積結(jié)果相差甚少，能夠滿足建筑竣工測(cè)量需求。綜上所述，本文認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、超大規(guī)模建筑物驗(yàn)收測(cè)量中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)該在特定的規(guī)劃驗(yàn)收中推廣使用。
作者：呂磊 邢漢發(fā) 王敘泉 單位：廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院
