三维激光扫描构筑数字城市

  随着激光雷达技术的逐步成熟，三维激光雷达技术制作的三维模型精度高，适用范围广，外业工作量少，省时省力。在建筑物的房屋轮廓提取、特征点检测和三维重建工作上发挥了重要作用。并且结合倾斜摄影技术，地物提取更加便捷，数据可视化程度更高。

三维激光扫描技术简介

数字城市是以信息技术为基础，宽带网络为纽带，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类三维描述的系统。在数字城市地理空间框架中构建三维模型，有助于提高城市的综合管理水平，提升城市的形象。构建三维模型的数据常用的三种方式有：

采用全站仪等传统仪器测量后手工建模得到三维精细模型；

以三维激光扫描方式实现三维超精细建模；

以倾斜摄影测量的半自动建模方式实现快速建模。

其中,三维激光扫描技术以其优异的性能正逐渐成为获取三维空间数据的一种重要手段。

1、三维激光扫描技术原理

三维激光扫描测量技术采用的是极坐标几何定位原理，利用激光作为信号源，对目标按照一定的分辨率进行扫描，直接获取地物目标表面的三维坐标信息，实现了从三维现实世界到三维数字化世界的直接转换。激光束从仪器的镜头散发出来照射到目标物上，反射回来后被仪器接收，通过仪器内置的硬件和程序可以自动计算每条激光照射点的坐标。所有这些照射点就构成了点云数据，这些点云数据就犹如拼图一样，是由相互独立的个体组合在一起构成的一个整体，如果单独看某个点（某一片拼图），我们是很难判断出整体是什么的,只有组合在一起，我们才能识别出这个点云数据代表的是房子还是其他的物体。当然点云数据要比拼图更加细致和密集。

2、三维激光扫描系统分类

根据不同的分类标准，三维激光扫描系统分类也有一定的区别。主要根据扫描载体、扫描距离、激光束的发射方式来分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为地面、车载、机载等类型。如图1所示。

3、三维激光扫描技术优点

三维激光扫描技术可进行大面积高密度空间三维数据采集，与传统测量技术相比较，具有扫描速度快、主动性工作、高精度、高密度、可量测性等优点，另外还整合了激光反射强度和物体色彩等影像数据，通过内置激光信号处理单元和精密校准的CCD相机可以获取目标表面的激光强度信号和真彩色信息，为目标的识别和分类提供了更多途径；与摄影测量技术相比较，三维激光扫描即使在夜间也可通过激光获取精度分布均匀、无畸变的三维空间点云数据，具有可实时三维观察、自动匹配、全天时工作等优点。详见表1。

三维激光扫描技术在构筑数字城市中的应用

构建数字城市要以城市数据为基础。由于三维激光扫描技术具有测量的效率高、范围广等优点，可以为数字城市提供基础的三维数据。另外基于点云数据制作的三维模型，以其精度高、客观性强、真实感高成为了数据城市建设中的重要成果。

基于三维激光扫描技术在数字城市中建模的技术流程包含资料准备、制定扫描方案、外业扫描、照片拍摄、点云处理、点云建模等。具体流程（如下图2所示）。

制定扫描方案首先要根据测量对象的性质、大小以及成果精度的要求，确定何种扫描方式，并设置扫描的范围和扫描的密度等参数。由于仪器和外界环境的影响，点云数据会出现噪点现象，进而影响到模型的精度，所以在拼接前需要进行去噪处理，将冗余的点云剔除。点云建模目前用的较多的软件是3D max，它是根据将被测物体提取出的线型数据，通过拉伸、扭曲、挖空等功能生成立体模型。未经纹理贴片的模型，真实感较差，只有将处理过的彩色照片贴片后，模型的直观性、客观性和真实性才会提高。

三维激光扫描技术在工程项目中的应用

包括城市老旧小区的微改造测量、建筑规划条件核实测量、古建筑修缮测绘、土方测量、地铁竣工测量等。以下做简要介绍：

1、城市老旧小区微改造测量

微改造中的测量内容主要包括四个方面：建筑外立面测量、地形测量、管线测量、特征点测量，其中建筑外立面测量的工作量占比最大，耗时最长。以去年我区20个老旧小区微改造为例，建筑外立面的面积约有389665平方米。如果采用全站仪单点采集的方式进行测量，不仅作业效率低、数据处理复杂，而且绘图直观性低，容易出错。

为保证立面改造工作的顺利推进，按时按质提交数据成果。三维激光扫描仪进行外业数据采集，结合使用测站设立与自由设站两种方法，高效的完成了外业工作。外业完成后，内业通过TBC软件对点云数据进行分类、着色、切片处理，最后导出每幢建筑各侧面的点云数据，在此基础上用直线绘制建筑的立面图。成果如下图所示。

2、建筑规划条件核实测量

传统的规划条件核实测量主要包括外业测量和内业绘图两大工作，外业工作主要通过全站仪基于控制导线采用极坐标细部测量法完成的。内业工作主要是绘制建筑平面位置关系图，绘图依据来源于外业测量数据、草图、竣工图纸等。传统的外业测量方法具有灵活性较高，自动化程度较低的特点，较适用于简单、规则的建筑物。城市化进程的加快，越来越多外型新颖、独特的建筑耸立在城市中央。不规则建筑给规划条件核实测量带来了一定的挑战。以凯达尔枢纽国际广场为例，东西塔楼建筑结构构造不规则，裙楼每层轮廓各异，中间横穿穗莞深城际轨道，验收难度大。SX10三维激光扫描技术使外业数据采集突破传统的单点采集模式，数据量的获取达到每秒26600个点，能自动采集高密度3D 扫描数据，极大地克服特征点采集的问题。

3、古建筑修缮测绘

凭借非接触的方式和主动测量方法，三维激光扫描已成为文物修缮与维护的主流技术,可以快速和高精度地将文物和古建筑的三维空间信息转换成电脑便于处理和建模的三维立体数据。城乡院承揽了增城区夏街大道石王庙的修缮测绘工作，工作内容包括三维扫描测量及建筑现状平、立、剖面（dwg格式）的绘制。古建筑修缮扫描不仅需要采集建筑外轮廓的信息数据，还要获取建筑内部的详细结构及建筑破损的位置、大小等信息，为修缮工作和修缮的费用提供基础数据。本次外业扫描作业步骤首先是在石王庙的庙堂和门口处分别布设了A、B两个通视的控制点，通过SX10自动跟踪并捕捉棱镜中心的功能获得了两点之间的相对位置。然后再分别在两点上通过“全站仪设站法+自由设站法”采集建筑点云数据。A、B两个控制点的作用是将建筑内部点云数据与外轮廓点云数据拼接在一起。内业处理则是把切片后的点云数据进行旋转、缩放，用线段捕捉建筑的外轮廓和破损处的点云，制作平、立、剖面图。。

4、土方测量

土方表面数据点采集的速度、精度以及采集点拟合目标表面的精细程度将直接影响土方量计算的效率和精度。现场技术员使用三维激光扫描测量+RTK测量的方法采集了海量的土方点云数据，如图9所示。由于现场地表有杂草、树木等附着物，这些附着物的点云数据如果未经剔除将会影响土方量的准确计算。故在内业数据处理时，要进行点云数据分类，将地表的点云数据提取。计算土方量的测量点间距一般为5m或10m，而三维激光扫描仪的点云密度甚至达到了毫米级，如果点云数据未经采样，虽然最后土方计算的准确度高，但数据处理的效率却降低了，故还需要对点云数据进行采样，采样间距设置为5m。最后将采样后的数据导入CASS或其他软件，通过构建TIN和设置设计高程面，即可计算土方量。

5、地下空间测量等领域

地铁地下线路段的测量属于地下空间测量领域，具有作业空间狭小，缺乏光照，视线差的特点。如果采用传统的测量方式需要用手电筒打灯照明，每一次设站和测量都需要人员照明辅助。SX10扫描仪采用脉冲测距法，具有自动跟踪捕捉棱镜、主动性工作的特点，在黑暗的环境中依然可以获取目标点的空间位置信息。立体的三维点云数据能直观地反映整个隧道的内部结构，便于绘图人员选取轨道的中心点和绘制隧道的断面图。

总结与展望

总体来说 ，三维激光扫描技术建立的模型具有真实性、准确性的优势，但由于获取点云数据量庞大，建模自动化程度不高等因素，该技术在大范围扫描建模时的效率和质量仍待提高。如何利用数据实现快速自动化建模并且保证在该过程中建模的准确性与细节表现力，是未来需要攻克的技术方向之一，需要我们充分积累点云各种形态结构的匹配算法和一定量的形体结构公式，以便于后期的自动识别等方法方式的实现。同时，由于城市的发展方向已从传统的扁平扩张转向立体纵深，因此对城市信息的三维构建已成了精细化管理的客观需求，三维激光扫描技术也必将在数字城市乃至智慧城市建设中扮演越来越重要的角色。