新時代美麗鄉村建設三維激光掃描技術應用研究＊

周美川，張寶鵬，趙玉霞

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050）

隨著信息技術的高速發展，三維激光掃描技術近幾年來得到飛速發展，三維激光掃描技術具高效、快速、非接觸、數據全面等優點，有效的提高了測繪數據采集和應用。

基礎測繪數據直接關系到美麗鄉村建設的科學性以及合理性，為鄉村規劃和建設提供重要依據和數據資料。美麗鄉村建設，基礎測繪先行，傳統的測繪技術，數據不夠全面、耗時耗力，同時很難滿足美麗鄉村建設對基礎測繪數據的需求；通過三維激光掃描技術建立鄉村數字化點云模型，提供立體化、高精度地理信息數據助力鄉村規劃、鄉村基礎建設、土地確權地籍測量、危險房屋鑒定等方面；三維激光掃描技術高效、全面的鄉村地理數據采集為實現美麗鄉村建設的有力保障。

1 三維激光技術的原理和分類

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射一個激光信號，再由均勻旋轉的反射鏡反射至目標物體表面，信號經目標物體表面反射后返回，并由接收器接收，微處理器通過激光的脈沖時間差或相位時間差計算出目標測點與掃描儀的距離s，同時根據掃描儀反射鏡的豎直角角度α 和掃描儀水平旋轉角度β，計算得到激光掃描目標點P 的三維位置坐標(X,Y,Z)的計算公式（1）。

圖1 掃描原理圖

1.2 三維激光掃描儀分類

1.2.1 按測距原理分類

三維激光掃描儀按測距原理一般可分為：基于脈沖、基于相位差和結構光測量三種。

脈沖式測距原理是依據脈沖信號時間差計算激光飛行距離，由于發射脈沖的時間短、功率大，所以發射密度小測程遠；相位式掃描儀是發射連續的激光波，通過計算從目標物體漫反射返回的激光波的相位差計算激光飛行時間，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是精度高，測距精度能達1mm 左右，掃描速率高，每秒能達到200 萬點，但測程較小，掃描距離一般在30～400m。結構光測距原理是依據相機、結構光和目標之間的關系，利用三角測量原理,計算得到目標位置信息，其特點是掃描精度高，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，適合于工業零件等相對較小的物體。目前，市場上也出現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距的優點。幾種測距原理技術對比見表1。

表1 幾種測距原理技術的對比

1.2.2 按照掃描平臺分類

三維激光掃描儀依據搭載平臺的不同，可以分為：星載激光掃描系統、機載激光掃描系統、車載三維激光掃描系統、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，最長掃描距離通常達幾百公里以上，可用于云高、大氣氣溶膠測量、冰蓋檢測、森林生物量估算、陸地高程測量；機載激光掃描系統，又稱機載激光雷達，是一種在有人或無人機平臺上搭載三維激光掃描儀實現地面三維坐標和影像數據獲取，具有作業范圍大、效率高和智能化等優點。車載三維激光掃描系統，是利用汽車為搭載平臺，將三維激光掃描儀、相機、GNSS 定位模塊、高精度慣性導航裝置和高性能工作站集成后通過云臺安置在汽車上，在汽車行駛過程中，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，通過馬達驅動自動水平旋轉，鏡像豎直旋轉掃描目標物體，通過處理系統計算得到三維坐標、反射強度、照片等信息的非接觸式主動測量技術。地面三維激光掃描儀適用在工程測繪與三維建模、工程檢測、工程監理、古建筑測量、文物測量等領域的空間地理信息數據釆集；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獲取目標物體表面三維數據的便攜式三維掃描儀，便攜式三維激光掃描儀的測程一般較小，測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距原理，其優點是體積小、重量輕、易于攜帶、操作簡單易用、精度較高。

2 三維激光掃描儀在鄉村建設進行數據采集的方案

2.1 合理選用三維激光掃描儀

根據測區的大小和測繪的需求合理選用儀器的類型，若測區較大可選用基于飛機平臺的機載三維激光掃描儀，若測區較小可選用地面式三維激光掃描儀。同時也可采用空地搭配，機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。對于危險邊坡監測、古建筑、碑刻等宜選用相位式三維激光掃描儀，以提高測量精度。

2.2 三維激光掃描儀作業方法

測區范圍較大時，宜采用機載三維激光掃描儀，以提高工作效率。外業流程為：首先進行控制測量，一般在村中的各村小組踏勘選取控制點，采用RTK 控制測量測出坐標信息；然后在控制點上安置基準站；最后，在機載三維激光掃描儀地面站上規劃好航線、設置掃描參數、飛行掃描、外業數據檢查、下載數據。內業工作流程為：數據解算、點云拼接、點云去燥和點云抽稀、質量檢查。

測區范圍較小時，宜采用地面式三維激光掃描儀。外業流程為：首先進行控制測量或布設標靶；然后安置地面式三維激光掃描儀；最后，設置掃描參數、開始掃描、外業數據檢查、下載數據。內業工作流程為：點云拼接、點云去燥、轉換坐標系、點云抽稀、質量檢查和彩色點云制作。

3 三維激光掃描儀在美麗鄉村建設中的典型應用

通過三維激光掃描技術建立鄉村數字化點云模型，提供立體化、高精度地理信息數據助力鄉村規劃、鄉村基礎建設、土地確權地籍測量、農村危險房屋鑒定等方面；

3.1 鄉村規劃和鄉村基礎建設

新時代我國鄉村振興戰略的實施，美麗鄉村建設得到飛速發展，鄉村規劃和鄉村基礎建設都需要大比例地形圖作為支撐，然而農村大比例尺地形圖具有測區測繪資料少、資料現勢性差、測區地物和地貌復雜、測繪難度和工作量較大，同時美麗鄉村規劃和基礎建設對測繪精度有較高的要求見表2。

表2 鄉村規劃測量精度要求

傳統測繪使用全站儀或RTK（實時動態測量）等測繪儀器，都是單點測量方法，需要逐點測量，同時由于通視條件限制和衛星信號遮擋，測繪盲區較多，測繪效率低。三維激光掃描儀又稱實景復制技術，采用的面掃描的方式，不但精度高而且數據全面、作業效率高。通過機載或地面式三維激光掃描制作鄉村數字化點云模型，在點云模型上可通過Autodesk ReCap 導入CAD 可快速識別地物類型并勾畫出地物平面圖，同時點云模型抽稀后導入CASS 可快速導出地貌平面圖，地物平面圖和地貌平面圖疊加后得到地形圖，能滿足鄉村規劃和鄉村基礎測繪數據的需求。

3.2 土地確權地籍測量

新時代國家鄉村振興戰略的實施，對地籍測量有了更高的要求，既要快速，又要高質量。三維激光掃描技術相對傳統測量方法速度快、精度高。可充分利用機載、車載、背包式和地面式三維激光掃描儀高效獲取農村復雜環境條件下高密度、高精度的點云數據。經過點云拼接、坐標系轉換、降噪和抽稀后導入測圖平臺采集地物和地貌信息，判斷界址點和邊界的位置。經選取圍墻界址點、房屋界址點試驗驗證，三維激光掃描技術采集的界址點精度滿足地籍測量的要求，界址點點位中誤差小于等于5 cm，限差小于等于10cm。

3.3 農村危險房屋鑒定

美麗鄉村建設過程中，農村危房改造提升了人居環境，讓人們住好、住安全的同時，鄉村環境、風貌得到了顯著改善。農村危險房屋鑒定是農村危房改造的前提。房屋地基的沉降測量、基礎裂縫測量、結構構件的變形和裂縫測量是農村危險房屋鑒定重要依據。選用基于相位式測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外完整、精準的點云數據，多期點云數據通過Autodesk ReCap 導入CAD 或直接利用BuildIT Construction軟件標注出基礎沉降量、構件變形量和構件裂縫寬度。傳統測量基礎觀測沉降、變形和裂縫費時費力，工作量大、效率低、成本高；三維激光掃描技術用于農村危險房屋鑒定省時省力，測量成果客觀、真實、可靠。

4 結語

當前，三維激光掃描技術在美麗鄉村建設中使用的案例還較少。通過介紹三維激光掃描技術在鄉村規劃、鄉村基礎建設、土地確權地籍測量、農村危險房屋鑒定典型應用場景，分析了三維激光掃描技儀的選型、技術路徑；同時三維激光掃描技術應用也不是完美的，由于點云數據量巨大，數據處理和應用是亟待解決的難點，同時數據自動化提取也是需進一步解決的難點。