三維激光掃描課程的教學實踐探索

李峰　劉小陽　孫廣通　王秋玲

【摘要】針對三維激光掃描技術在課堂教學中的重點和難點問題，根據該課程的特點重新設計了課程的教學內容，并通過課內實驗、開放性實驗項目、大學生創新項目加強了學生實踐能力的培養，提升了學生的創新和解決實際測繪問題的能力。

【關鍵詞】三維激光掃描；激光點云；實踐教學

【Abstract】To solve the emphases and difficulties of classroom teaching in the 3D laser scanning technology class，depending on this classs characteristics，we redesigned the teaching contents of this class，adopted classroom experiments，opening experiments，college student innovation project to strengthen the ability cultivation of college students practical ability， their project innovation ability and ackle physical problems of Geomatics.

【Key words】3D laser scanning；Laser point clouds；Practical teaching

0 前言

智慧城市以數字城市為基礎，利用城市物聯網中的各種傳感器將現實城市聯系起來，通過云平臺對大數據進行存儲、查詢、分析和決策[1]，根據輔助決策結果提供為城市規劃、經濟發展、人口擴張和各類設施管理提供智能控制服務，促進了現代城市的綠色、低碳和可持續的發展，它可以簡單地理解為數字城市、物聯網和元計算技術有機結合體。而智慧城市的基礎框架是建立3D城市模型之上的，目前3D模型的構建方法包括了基于地形圖或高分衛星圖法、全站儀測量法、無人機傾斜攝影技術、機載激光點云建模法、車載激光點云建模法以及地面三維激光掃描建模法6種方法。這些方法各有自身的優缺點，其中地面三維激光掃描建模法因其測量速度快、精度高、效率高而多用于3D模型的精細建設，近20年來已經廣泛用于逆向工程、城市規劃、文物修復、地形測圖、虛擬現實、變形監測、地理信息空間分析等領域[2]。目前已有多所高校開設三維激光掃描相關的本科生和研究生課程，但是三維激光掃描技術作為測繪新技術，在教材編寫、課程建設、實驗實習等方面與傳統測繪課程之間仍然存在著相當大的差距；因為三維激光掃描技術不同于傳統的測繪技術，在教學內容設計、數據采集與處理、3D建模等領域有其獨特的技術特點，所以探索并建立一種三維激光掃描課程的教學實踐體系已經迫在眉睫。

1 教學體系構建

1.1 教學內容設計

三維激光掃描課程涉及的前期開設課程包括普通測量學、GNSS定位原理與應用、地理信息系統原理、三維建模、高等數學、線性代數等課程，前期課程涉及范圍廣、內容跨度大，對各課程教師及其教學內容的協調難度大，因此，不宜直接對前期課程抱有過高的要求，而對講授三維激光掃描課的教師提出了更高的期望，需要該教師具備多學科的專業知識與操作技能，該門課程教師在課前應該準備相關測量課程的內容。另外，測繪工程專業開設3dsMax課程進行3D建模訓練的高校寥寥無幾，3dsMax軟件建模難度大，需要長時間的學習才能掌握，因此，在實際教學過程中建議以常見的AutoCAD、SketchUp和Microstation等易學的3D建模軟件來代替3dsMax教學。

三維激光掃描課程的教學內容分為10章講授，第1章緒論部分主要講述三維激光掃描技術的發展歷史，激光的基本概念、分類、特征，激光技術的概念與技術特點；第2章重點講述激光掃描儀的測距原理和點云的常見格式；第3章講解激光掃描儀的組成、安全標準和常見的商用掃描儀；第4章重點論述激光點云的八叉樹壓縮方法和ICP配準算法；第5章敘述利用激光點云進行自動和手工3D建模的方法；第6章介紹三維表面模型和實體模型的建模軟件；第7章簡介三維激光掃描儀的誤差來源；第8章給出了三維激光掃描儀的測角和測距部分的檢定方法；第9章介紹機載LiDAR系統的組成、原理和數據處理方法。第10章介紹利用Microstation軟件和Geomagic軟件進行3D建模的方法。

1.2 實踐教學環節建設

三維激光掃描課程是一門實踐性很強的課程，在三維激光掃描理論學習期間，為了強化學生的學習效果，應安排適量的課內實驗來提高學生的動手操作能力。課內實驗的內容應包括三維激光掃描儀的操作實驗、激光掃描點云的配準實驗、激光點云逆向工程曲面建模實驗、激光點云賦色實驗、激光點云的三維實體模型構建實驗。在每次課內實驗結束時教師都要求學生提交實驗成果，從而敦促學生在實驗課上能集中精力完成每次的實驗任務。

課內實驗部分僅為3D建模的基礎技能，為了進一步提升學生們的建模能力，在開放實驗課程項目中，將學生按照4-5人的規模進行分組，以本校校園的3D場景重建維目標，首先，各組根據普通測量學和GNSS課程的知識協同完成校園控制網的建立；其次，因為三維激光掃描儀臺數較少，各組需利用課余時間輪流操作儀器完成校園激光點云的全面采集工作；然后，各組成員配準全部站點掃描數據；校園全部點云數據量高達30G，不易整體操作運行，因此根據校內建筑物的數量剪切出各建筑物對應的激光點云，平均分配給各小組，各小組針對大地定向的點云，利用Microstation軟件建立對應建筑物的3D模型；將各小組建模的全部結果融合成校園整體的3D模型，對于校園內的樹木、路燈桿、圍墻等直接建立小品模型庫，按照對應地物出現的位置放置小品模型并根據點云數據調整其高度。最后組合成整體的3D模型并可導入到Google earth、Skyline等軟件進行三維分析與展示。

在學生建模能力全面提升的基礎上，組織學生參加大學生創新項目，使用激光掃描儀與實驗室裝備的四旋翼無人機共同完成所在城市重要文物或景觀的3D建模工作。帶領部分同學參加教師的三維激光掃描測量的橫向或縱向課題，通過實戰訓練做到課題理論與實際工作實踐的有機結合。此外，本校緊鄰測繪類高校與企業云集的北京市，可定期邀請從事三維激光掃描技術教學與應用的高校教師或公司技術人員來我校進行講課、講座和產品展示活動[3]，這樣不僅使學生了解了最新的三維激光掃描技術的前沿知識，而且開闊了他們的專業視野，提高了對三維激光掃描技術的學習興趣和未來就業深造的信心。

2 結束語

三維激光掃描掃描課程的開設為測繪工程專業教學提出了新的挑戰，通過該課程的教學內容設計和實踐教學環節的建設加深了學生對三維激光掃描課堂理論知識的理解，同時鞏固了相關測繪課程的內容，進一步熟悉并掌握了三維激光掃描儀的操作能力，提高了學生的3D建模能力，實現了三維激光掃描課程教學與實踐的有機融合。

【參考文獻】

[1]李德仁，姚遠，邵振峰.智慧城市中的大數據[J].武漢大學學報（信息科學版），2014，39（6）：631-640.

[2]李峰，劉小陽，宋萍，等.“測繪法規與管理”課程教學策略體系的研究與實踐[J].測繪通報，2015（8）：130-132.

[3]楊妮，吳良林，曾凡濤，等.面向專業特點的三維激光掃描測量項目化教學探討[J].教育現代化，2017，4（6）：127-130.endprint