三維激光掃描技術(shù)在城市風(fēng)貌改造立面測量中的應(yīng)用

羅成剛

四川省冶金地質(zhì)勘查局測繪工程大隊

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，城市面貌發(fā)生了翻天復(fù)地的變化，大部分地區(qū)城市建設(shè)品位形象大幅提升，人居環(huán)境大大改善。但還有不少地方城鎮(zhèn)街道臨街建筑與周邊的環(huán)境、景觀極不協(xié)調(diào)，亟待對舊有建筑的立面進(jìn)行全方位整治，來進(jìn)一步提升城市品質(zhì)形象。如何快速、準(zhǔn)確、高效地獲取這些城鎮(zhèn)街道臨街建筑的立面數(shù)據(jù)，為政府部門在城市風(fēng)貌改造設(shè)計中提供決策依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，成為廣大測繪技術(shù)人員解決的技術(shù)難題和重要任務(wù)。

隨著現(xiàn)代測繪新技術(shù)的發(fā)展，特別是三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，使得原本復(fù)雜繁瑣的測繪工作，變得更加容易和簡單，三維激光掃描技術(shù)以其單一性和高聚積度成為繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項新的測繪技術(shù)，它推動了三維空間數(shù)據(jù)獲取向著集成化、實時化、動態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。通過高速激光掃描測量的方法，可以快速、大量地采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了全新的技術(shù)手段。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的分類及構(gòu)成

1.1 三維激光掃描系統(tǒng)的分類

三維激光掃描技術(shù)按照測量方式劃分為固定式激光掃描系統(tǒng)和移動式激光掃描系統(tǒng)[1]。移動式激光掃描系統(tǒng)按照搭載平臺不同，又分為機(jī)載移動激光掃描系統(tǒng)、車載移動激光掃描系統(tǒng)、背包式移動激光掃描系統(tǒng)和便攜式（手持式）移動激光掃描系統(tǒng)。

1.2 三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成

三維激光掃描系統(tǒng)是一種集成了多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段。固定式激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、軟件控制平臺、數(shù)據(jù)處理平臺及電源和其他附件設(shè)備共同構(gòu)成。移動式三維激光掃描系統(tǒng)中除便攜式（手持式）移動激光掃描系統(tǒng)外，是由全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）結(jié)合固定式激光掃描系統(tǒng)組合而成，便攜式（手持式）移動激光掃描系是基于即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)與固定式激光掃描系統(tǒng)相組合而成的三維激光掃描系統(tǒng)，其核心部件包括全景照相機(jī)、激光掃描儀、慣性測量單元、伸縮桿、外置電源、操控平板電腦、預(yù)處和重建軟件（模塊）。

2 三維激光掃描技術(shù)的基本原理

三維激光掃描儀的發(fā)射器通過二極管發(fā)射出激光脈沖信號，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡射向目標(biāo)，然后通過探測器，接收反射回來的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識別處理的數(shù)據(jù)信息。三維激光掃描儀對實體進(jìn)行掃描時，獲取了不同對象對激光的光射時間差，從而測出激光與物體之間的距離，用編碼器來測量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度，最終獲取被測對象表面每個采樣點空間立體坐標(biāo)，得到被測對象的離散點集合，這些稱之為“距離影像”或“點云”[2]。

三維激光掃描技術(shù)實際上就是采用激光測距，通過掃描鏡和伺服馬達(dá)按照定義的掃描范圍和點云密度，依次獲取目標(biāo)表面各點的三維坐標(biāo)及紋理信息，實現(xiàn)三維場景重現(xiàn)的技術(shù)。三維激光掃描的工作過程，就是一個數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的過程。從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度，對掃描點進(jìn)行顏色灰度的匹配。對于激光掃描儀而言，采樣點是系統(tǒng)局部坐標(biāo)點，掃描儀的內(nèi)部中心為坐標(biāo)原點，一般X、Y軸在局部坐標(biāo)系的水平面上，Y軸通常為掃描儀的掃描方向，Z軸為垂向方向。見圖1所示。由此，可得掃描目標(biāo)點P的坐標(biāo)（XP，YP，ZP）計算公式為：

①XP＝Scosωcosα；

②YP＝Scosωsinα；

③ ZP＝ Ssinω[1]。

圖1 三維激光掃描技術(shù)的基本原理

三維激光掃描所獲取的由點云組成的影像與通常掃描的柵格影像最大的區(qū)別就是具有可測量性。

3 三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量方式的比較

3.1 傳統(tǒng)測量方式在建筑物立面測量中的缺點

傳統(tǒng)測量方式通過皮尺、測距儀及全站儀等工具對具有施測條件的建筑物外立面的長、寬、高等尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但老舊小區(qū)門窗、陽臺、雨篷等附屬設(shè)施多而密集，利用傳統(tǒng)的測量方式需要投入大量人員進(jìn)行外業(yè)測量，且無法保證細(xì)部的完整性和精度，工作量大、局限性大、作業(yè)效率低，內(nèi)業(yè)成圖工作較為繁重且易出錯，特別是對于樓層較高的建筑物，采用傳統(tǒng)方式采集立面數(shù)據(jù)比較困難。

3.2 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢

通過三維激光掃描技術(shù)對建筑物進(jìn)行無接觸掃描，能快速獲取建筑物外立面的密集點云和影像，具有采集時間短、精度高（掃描精度達(dá)到毫米級）、自主性強(qiáng)、智能化等特點，為建筑物立面測量提供了一種更新、更快、更便捷的測量作業(yè)模式。而三維激光掃描儀的種類繁多，面對不同的環(huán)境狀況，不同的測繪需求及規(guī)范，合理地選擇三維激光掃描儀才能更加高效、便捷地應(yīng)用于項目生產(chǎn)。

3.3 基于SLAM移動激光掃描系統(tǒng)與傳統(tǒng)三維激光掃描系統(tǒng)的區(qū)別

目前，傳統(tǒng)三維激光掃描系統(tǒng)均需要依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU），只能用于室外環(huán)境。然而，由于室內(nèi)和地下空間等環(huán)境中沒有GNSS信號，因此，傳統(tǒng)的移動測量系統(tǒng)無法正常工作。固定式激光掃描系統(tǒng)可以用于室內(nèi)室外的環(huán)境，但是復(fù)雜場景需要大量換站，并進(jìn)行點云拼接，數(shù)據(jù)獲取的效率十分低下。然而，即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)在移動測繪方面具有較好的應(yīng)用，不依托GNSS信號，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和環(huán)境建模。因此，SLAM技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了測量復(fù)雜性，不需要大量標(biāo)記地物點，不需要GNSS信號，適用于在室內(nèi)室外場景，對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。

由于SLAM技術(shù)無需GNSS信號，對工作環(huán)境又有極強(qiáng)的適應(yīng)性，基于SLAM技術(shù)的移動激光掃描系統(tǒng)具有非常大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高。

（2）內(nèi)業(yè)點云預(yù)處理時間短，自動化程度高，無需人工干預(yù)，短時間內(nèi)獲得點云數(shù)據(jù)。

（3）操作簡單易學(xué)，無需換站，連續(xù)采集，具有連貫性，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)。

（4）SLAM技術(shù)的便攜式（手持式）移動激光掃描儀在任意環(huán)境中長時間工作故障率低，對于精度要求較高的重點區(qū)域，可與固定測站式三維激光系統(tǒng)配合使用，既能保證精度，又能保證效率。

4 實際案例應(yīng)用

4.1 項目概況

某縣老城區(qū)風(fēng)貌改造品質(zhì)提升項目是該縣的一個重要的形象工程，工作內(nèi)容為：對老城區(qū)11條街道的所有建筑物進(jìn)行立面測繪，立面測繪面積約1100000平方米，要求提供老城區(qū)所有建筑物的立面圖（墻體、門、窗準(zhǔn)確位置），提供1：500建筑物平面圖，提供建筑附屬物的位置關(guān)系等，工期為15天。

4.2 技術(shù)路線

由于老城區(qū)的街道大多狹窄，街道兩旁行道樹較多，GNSS信號較差，不穩(wěn)定，根據(jù)項目區(qū)的具體情況和工期要求，該項目采用了基于SLAM的便攜式（手持式）移動激光掃描系統(tǒng)對老城區(qū)11條街道的所有建筑物進(jìn)行立面測繪。

根據(jù)老城區(qū)建筑分布及地形走勢規(guī)劃掃描線路，主要滿足外墻、窗戶、細(xì)部掃描的精度和完整度要求。此外，針對帶狀較長街道數(shù)據(jù)采集，將嚴(yán)格按照分段測量，每200～300 m分段掃描，有助于控制整體掃描精度，防止帶狀掃描距離過長累計誤差較大。

4.3 作業(yè)流程

4.3.1 作業(yè)規(guī)范

為了保證采集的掃描數(shù)據(jù)是滿足各方面要求的，在工作開始之前需要確認(rèn)作業(yè)規(guī)范。當(dāng)前還沒有一個行業(yè)內(nèi)通用的作業(yè)規(guī)范，需要結(jié)合實際去確定點云的密度、點云的精度、前進(jìn)速度、每測段的長度等。

4.3.2 準(zhǔn)備工作

為了掃描工作的順利進(jìn)行，在外業(yè)掃描前需要做一下準(zhǔn)備工作。

（1）踏勘：確定需要掃描的目標(biāo)區(qū)域，實地踏勘，規(guī)劃掃描路線；

（2）設(shè)備準(zhǔn)備：檢查移動激光掃描系統(tǒng)的電量、存儲狀態(tài)。

4.3.3 人員協(xié)調(diào)

為了掃描工作的順利進(jìn)行，需要協(xié)調(diào)各部門人員進(jìn)行協(xié)助。人員需求如下：

（1）安全員：需要掃描場地管理單位安排一位熟悉掃描區(qū)域情況的人員，在工作時提供咨詢和指導(dǎo)，協(xié)助完成數(shù)據(jù)采集；

（2）設(shè)備操作技術(shù)員：操作設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)。

4.3.4 外業(yè)掃描工作

（1）將便攜式（手持式）移動激光掃描系統(tǒng)組裝好，開機(jī)后進(jìn)行預(yù)熱。

（2）按照設(shè)計好的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后啟動掃描，對老城區(qū)建筑物進(jìn)行掃描。為了更好地輔助內(nèi)業(yè)立面制圖的需要，在移動掃描的過程中，利用便攜式（手持式）移動激光掃描儀標(biāo)配的全景照相機(jī)對建筑各立面進(jìn)行同步影像采集。由于建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間層次多，在使用便攜式（手持式）移動激光掃描儀進(jìn)行掃描時，需要分區(qū)域、分區(qū)塊進(jìn)行掃描。最終將不同分區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成完整的三維點云模型。

（3）掃描結(jié)束，停止掃描，關(guān)閉設(shè)備，拆卸設(shè)備，設(shè)備裝箱。

4.3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)導(dǎo)出及分類：將設(shè)備中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并進(jìn)行分類、分組，進(jìn)行重命名，便于識別。

（2）POS解算：使用定位定姿解算軟件對系統(tǒng)中慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到POS文件。

（3）點云融合：將POS文件和點云文件進(jìn)行融合，獲取三維點云數(shù)據(jù)。

（4）點云預(yù)處理：在掃描物體時，由于遮擋等原因的影響，采集的數(shù)據(jù)不止是我們需要的數(shù)據(jù)，其中還包括很多我們不感興趣的數(shù)據(jù)，例如：物體周圍的花草樹木、車流、人群等，這樣就必須在配準(zhǔn)之前要利用數(shù)據(jù)的預(yù)處理把我們感興趣的數(shù)據(jù)提取出來，以便于后期數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。預(yù)處理的方法很多：可以利用激光強(qiáng)度把同一類物體同時選中后刪除、人工選取等方法。

（5）平立剖面圖繪制：以預(yù)處理成果為基礎(chǔ)，通過點云數(shù)據(jù)處理軟件把點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的建筑坐標(biāo)系，通過軟件在每個層次進(jìn)行點云剖切，繪制出點云平立剖面圖。

（6）立面圖繪制：將基于點云生成的平立剖面圖導(dǎo)入CAD/Microstation等軟件平臺，可快速進(jìn)行矢量圖繪制；也可將拼接完整的三維點云模型導(dǎo)入CAD/Microstation/EPS等軟件平臺，通過點云切割，截面等方式進(jìn)行立面矢量圖繪制。

（7）成果整理：將得到的成果進(jìn)行保存?zhèn)浞荨?/p>

4.4 項目應(yīng)用效果

本項目派出外業(yè)掃描技術(shù)人員2人，6天完成了全部外業(yè)掃描工作，經(jīng)過4天的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，完成項目全部工作內(nèi)容，大大縮短了工期，提高了工作效率。隨后，采用傳統(tǒng)測量方式（全站儀和皮尺方式）對項目成果進(jìn)行了抽查檢查，測量精度均滿足規(guī)范要求，成果合格，見圖2、圖3、圖4。

圖2 建筑立面成果圖

圖3 最終成果圖

圖4 最終成果圖

5 總結(jié)

三維激光掃描技術(shù)能夠快速、高效、高精度地獲取測量目標(biāo)的表面三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而快速、高效地獲取舊建筑物的高精度平面、立面、剖面圖，為舊建筑物改造設(shè)計、工程量計算、造價等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。相比較傳統(tǒng)測量方式，三維激光掃描技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢，為類似項目的測量提供了一種很好的解決方案。

作為傳統(tǒng)測量方式的有效補(bǔ)充，三維激光掃描技術(shù)發(fā)展時間不長，引進(jìn)國內(nèi)時間較短，各種校正體系、誤差界定、軟件的兼容性等還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，在實際的測量工作中，要充分利用各種測量技術(shù)的優(yōu)勢，相互組合、補(bǔ)充，加強(qiáng)檢核驗證，提高工作效能[3]。

近年來，三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種工程測量領(lǐng)域中，如房產(chǎn)竣工測繪、坑道測繪、土石方測量、三維建模等，文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域也已引入了三維激光掃描技術(shù)。