新時(shí)代美麗鄉(xiāng)村建設(shè)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用研究＊

周美川，張寶鵬，趙玉霞

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)近幾年來(lái)得到飛速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)具高效、快速、非接觸、數(shù)據(jù)全面等優(yōu)點(diǎn)，有效的提高了測(cè)繪數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用。

基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)直接關(guān)系到美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的科學(xué)性以及合理性，為鄉(xiāng)村規(guī)劃和建設(shè)提供重要依據(jù)和數(shù)據(jù)資料。美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，基礎(chǔ)測(cè)繪先行，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，數(shù)據(jù)不夠全面、耗時(shí)耗力，同時(shí)很難滿足美麗鄉(xiāng)村建設(shè)對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的需求；通過(guò)三維激光掃描技術(shù)建立鄉(xiāng)村數(shù)字化點(diǎn)云模型，提供立體化、高精度地理信息數(shù)據(jù)助力鄉(xiāng)村規(guī)劃、鄉(xiāng)村基礎(chǔ)建設(shè)、土地確權(quán)地籍測(cè)量、危險(xiǎn)房屋鑒定等方面；三維激光掃描技術(shù)高效、全面的鄉(xiāng)村地理數(shù)據(jù)采集為實(shí)現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的有力保障。

1 三維激光技術(shù)的原理和分類

1.1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀的工作原理（如圖1 所示）為由激光生成器首先向外發(fā)射一個(gè)激光信號(hào)，再由均勻旋轉(zhuǎn)的反射鏡反射至目標(biāo)物體表面，信號(hào)經(jīng)目標(biāo)物體表面反射后返回，并由接收器接收，微處理器通過(guò)激光的脈沖時(shí)間差或相位時(shí)間差計(jì)算出目標(biāo)測(cè)點(diǎn)與掃描儀的距離s，同時(shí)根據(jù)掃描儀反射鏡的豎直角角度α 和掃描儀水平旋轉(zhuǎn)角度β，計(jì)算得到激光掃描目標(biāo)點(diǎn)P 的三維位置坐標(biāo)(X,Y,Z)的計(jì)算公式（1）。

圖1 掃描原理圖

1.2 三維激光掃描儀分類

1.2.1 按測(cè)距原理分類

三維激光掃描儀按測(cè)距原理一般可分為：基于脈沖、基于相位差和結(jié)構(gòu)光測(cè)量三種。

脈沖式測(cè)距原理是依據(jù)脈沖信號(hào)時(shí)間差計(jì)算激光飛行距離，由于發(fā)射脈沖的時(shí)間短、功率大，所以發(fā)射密度小測(cè)程遠(yuǎn)；相位式掃描儀是發(fā)射連續(xù)的激光波，通過(guò)計(jì)算從目標(biāo)物體漫反射返回的激光波的相位差計(jì)算激光飛行時(shí)間，從而得到儀器中心與掃描物體的距離；相位式掃描儀的特點(diǎn)是精度高，測(cè)距精度能達(dá)1mm 左右，掃描速率高，每秒能達(dá)到200 萬(wàn)點(diǎn)，但測(cè)程較小，掃描距離一般在30～400m。結(jié)構(gòu)光測(cè)距原理是依據(jù)相機(jī)、結(jié)構(gòu)光和目標(biāo)之間的關(guān)系，利用三角測(cè)量原理,計(jì)算得到目標(biāo)位置信息，其特點(diǎn)是掃描精度高，能小于0.01mm 左右的精度。但其掃描范圍一般較小，僅有幾十厘米至幾百厘米，適合于工業(yè)零件等相對(duì)較小的物體。目前，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了脈沖相位混合式三維激光掃描儀，兼具脈沖式和相位式測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)。幾種測(cè)距原理技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 幾種測(cè)距原理技術(shù)的對(duì)比

1.2.2 按照掃描平臺(tái)分類

三維激光掃描儀依據(jù)搭載平臺(tái)的不同，可以分為：星載激光掃描系統(tǒng)、機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、車載三維激光掃描系統(tǒng)、地面激光掃描儀和便攜式激光掃描儀。

星載三維激光掃描系統(tǒng)，最長(zhǎng)掃描距離通常達(dá)幾百公里以上，可用于云高、大氣氣溶膠測(cè)量、冰蓋檢測(cè)、森林生物量估算、陸地高程測(cè)量；機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，又稱機(jī)載激光雷達(dá)，是一種在有人或無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)獲取，具有作業(yè)范圍大、效率高和智能化等優(yōu)點(diǎn)。車載三維激光掃描系統(tǒng)，是利用汽車為搭載平臺(tái)，將三維激光掃描儀、相機(jī)、GNSS 定位模塊、高精度慣性導(dǎo)航裝置和高性能工作站集成后通過(guò)云臺(tái)安置在汽車上，在汽車行駛過(guò)程中，高效獲取位置信息和色彩信息；地面激光掃描儀，是指在地面安置三腳架，在腳架上放置三維激光掃描儀，通過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)水平旋轉(zhuǎn)，鏡像豎直旋轉(zhuǎn)掃描目標(biāo)物體，通過(guò)處理系統(tǒng)計(jì)算得到三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度、照片等信息的非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)。地面三維激光掃描儀適用在工程測(cè)繪與三維建模、工程檢測(cè)、工程監(jiān)理、古建筑測(cè)量、文物測(cè)量等領(lǐng)域的空間地理信息數(shù)據(jù)釆集；便攜式三維激光掃描儀，是一種可以用手持掃描或背包式掃描來(lái)獲取目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)的便攜式三維掃描儀，便攜式三維激光掃描儀的測(cè)程一般較小，測(cè)程一般為幾十厘米到幾百米，便攜式三維激光掃描儀的精度取決于它的測(cè)距原理，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、易于攜帶、操作簡(jiǎn)單易用、精度較高。

2 三維激光掃描儀在鄉(xiāng)村建設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方案

2.1 合理選用三維激光掃描儀

根據(jù)測(cè)區(qū)的大小和測(cè)繪的需求合理選用儀器的類型，若測(cè)區(qū)較大可選用基于飛機(jī)平臺(tái)的機(jī)載三維激光掃描儀，若測(cè)區(qū)較小可選用地面式三維激光掃描儀。同時(shí)也可采用空地搭配，機(jī)載三維激光掃描儀和地面式三維激光掃描儀配合使用，以提高工作效率。對(duì)于危險(xiǎn)邊坡監(jiān)測(cè)、古建筑、碑刻等宜選用相位式三維激光掃描儀，以提高測(cè)量精度。

2.2 三維激光掃描儀作業(yè)方法

測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)，宜采用機(jī)載三維激光掃描儀，以提高工作效率。外業(yè)流程為：首先進(jìn)行控制測(cè)量，一般在村中的各村小組踏勘選取控制點(diǎn)，采用RTK 控制測(cè)量測(cè)出坐標(biāo)信息；然后在控制點(diǎn)上安置基準(zhǔn)站；最后，在機(jī)載三維激光掃描儀地面站上規(guī)劃好航線、設(shè)置掃描參數(shù)、飛行掃描、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查、下載數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)工作流程為：數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去燥和點(diǎn)云抽稀、質(zhì)量檢查。

測(cè)區(qū)范圍較小時(shí)，宜采用地面式三維激光掃描儀。外業(yè)流程為：首先進(jìn)行控制測(cè)量或布設(shè)標(biāo)靶；然后安置地面式三維激光掃描儀；最后，設(shè)置掃描參數(shù)、開始掃描、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查、下載數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)工作流程為：點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去燥、轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系、點(diǎn)云抽稀、質(zhì)量檢查和彩色點(diǎn)云制作。

3 三維激光掃描儀在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中的典型應(yīng)用

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)建立鄉(xiāng)村數(shù)字化點(diǎn)云模型，提供立體化、高精度地理信息數(shù)據(jù)助力鄉(xiāng)村規(guī)劃、鄉(xiāng)村基礎(chǔ)建設(shè)、土地確權(quán)地籍測(cè)量、農(nóng)村危險(xiǎn)房屋鑒定等方面；

3.1 鄉(xiāng)村規(guī)劃和鄉(xiāng)村基礎(chǔ)建設(shè)

新時(shí)代我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，美麗鄉(xiāng)村建設(shè)得到飛速發(fā)展，鄉(xiāng)村規(guī)劃和鄉(xiāng)村基礎(chǔ)建設(shè)都需要大比例地形圖作為支撐，然而農(nóng)村大比例尺地形圖具有測(cè)區(qū)測(cè)繪資料少、資料現(xiàn)勢(shì)性差、測(cè)區(qū)地物和地貌復(fù)雜、測(cè)繪難度和工作量較大，同時(shí)美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃和基礎(chǔ)建設(shè)對(duì)測(cè)繪精度有較高的要求見(jiàn)表2。

表2 鄉(xiāng)村規(guī)劃測(cè)量精度要求

傳統(tǒng)測(cè)繪使用全站儀或RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量）等測(cè)繪儀器，都是單點(diǎn)測(cè)量方法，需要逐點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)由于通視條件限制和衛(wèi)星信號(hào)遮擋，測(cè)繪盲區(qū)較多，測(cè)繪效率低。三維激光掃描儀又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，采用的面掃描的方式，不但精度高而且數(shù)據(jù)全面、作業(yè)效率高。通過(guò)機(jī)載或地面式三維激光掃描制作鄉(xiāng)村數(shù)字化點(diǎn)云模型，在點(diǎn)云模型上可通過(guò)Autodesk ReCap 導(dǎo)入CAD 可快速識(shí)別地物類型并勾畫出地物平面圖，同時(shí)點(diǎn)云模型抽稀后導(dǎo)入CASS 可快速導(dǎo)出地貌平面圖，地物平面圖和地貌平面圖疊加后得到地形圖，能滿足鄉(xiāng)村規(guī)劃和鄉(xiāng)村基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的需求。

3.2 土地確權(quán)地籍測(cè)量

新時(shí)代國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)地籍測(cè)量有了更高的要求，既要快速，又要高質(zhì)量。三維激光掃描技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法速度快、精度高。可充分利用機(jī)載、車載、背包式和地面式三維激光掃描儀高效獲取農(nóng)村復(fù)雜環(huán)境條件下高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪和抽稀后導(dǎo)入測(cè)圖平臺(tái)采集地物和地貌信息，判斷界址點(diǎn)和邊界的位置。經(jīng)選取圍墻界址點(diǎn)、房屋界址點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，三維激光掃描技術(shù)采集的界址點(diǎn)精度滿足地籍測(cè)量的要求，界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差小于等于5 cm，限差小于等于10cm。

3.3 農(nóng)村危險(xiǎn)房屋鑒定

美麗鄉(xiāng)村建設(shè)過(guò)程中，農(nóng)村危房改造提升了人居環(huán)境，讓人們住好、住安全的同時(shí)，鄉(xiāng)村環(huán)境、風(fēng)貌得到了顯著改善。農(nóng)村危險(xiǎn)房屋鑒定是農(nóng)村危房改造的前提。房屋地基的沉降測(cè)量、基礎(chǔ)裂縫測(cè)量、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形和裂縫測(cè)量是農(nóng)村危險(xiǎn)房屋鑒定重要依據(jù)。選用基于相位式測(cè)量原理的地面式三維激光掃描儀多期掃描建筑物后能得到房屋內(nèi)外完整、精準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)Autodesk ReCap 導(dǎo)入CAD 或直接利用BuildIT Construction軟件標(biāo)注出基礎(chǔ)沉降量、構(gòu)件變形量和構(gòu)件裂縫寬度。傳統(tǒng)測(cè)量基礎(chǔ)觀測(cè)沉降、變形和裂縫費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量大、效率低、成本高；三維激光掃描技術(shù)用于農(nóng)村危險(xiǎn)房屋鑒定省時(shí)省力，測(cè)量成果客觀、真實(shí)、可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，三維激光掃描技術(shù)在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中使用的案例還較少。通過(guò)介紹三維激光掃描技術(shù)在鄉(xiāng)村規(guī)劃、鄉(xiāng)村基礎(chǔ)建設(shè)、土地確權(quán)地籍測(cè)量、農(nóng)村危險(xiǎn)房屋鑒定典型應(yīng)用場(chǎng)景，分析了三維激光掃描技儀的選型、技術(shù)路徑；同時(shí)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用也不是完美的，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用是亟待解決的難點(diǎn)，同時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)化提取也是需進(jìn)一步解決的難點(diǎn)。