三維激光掃描技術在城市風貌改造立面測量中的應用

羅成剛

四川省冶金地質勘查局測繪工程大隊

當前，我國經濟社會快速發展，城市面貌發生了翻天復地的變化，大部分地區城市建設品位形象大幅提升，人居環境大大改善。但還有不少地方城鎮街道臨街建筑與周邊的環境、景觀極不協調，亟待對舊有建筑的立面進行全方位整治，來進一步提升城市品質形象。如何快速、準確、高效地獲取這些城鎮街道臨街建筑的立面數據，為政府部門在城市風貌改造設計中提供決策依據和數據支撐，成為廣大測繪技術人員解決的技術難題和重要任務。

隨著現代測繪新技術的發展，特別是三維激光掃描技術的出現，使得原本復雜繁瑣的測繪工作，變得更加容易和簡單，三維激光掃描技術以其單一性和高聚積度成為繼GPS空間定位系統之后又一項新的測繪技術，它推動了三維空間數據獲取向著集成化、實時化、動態化、數字化和智能化的方向發展。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手段。

1 三維激光掃描系統的分類及構成

1.1 三維激光掃描系統的分類

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

1.2 三維激光掃描系統的構成

三維激光掃描系統是一種集成了多種高新技術的新型空間信息數據獲取手段。固定式激光掃描系統由三維激光掃描儀、數碼相機、掃描儀旋轉平臺、軟件控制平臺、數據處理平臺及電源和其他附件設備共同構成。移動式三維激光掃描系統中除便攜式（手持式）移動激光掃描系統外，是由全球衛星導航定位系統（GNSS）、慣性導航系統（IMU）結合固定式激光掃描系統組合而成，便攜式（手持式）移動激光掃描系是基于即時定位與地圖構建(SLAM)技術與固定式激光掃描系統相組合而成的三維激光掃描系統，其核心部件包括全景照相機、激光掃描儀、慣性測量單元、伸縮桿、外置電源、操控平板電腦、預處和重建軟件（模塊）。

2 三維激光掃描技術的基本原理

三維激光掃描儀的發射器通過二極管發射出激光脈沖信號，經過旋轉棱鏡射向目標，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，最后轉換成能夠直接識別處理的數據信息。三維激光掃描儀對實體進行掃描時，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角度與激光掃描儀的水平旋轉角度，最終獲取被測對象表面每個采樣點空間立體坐標，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]。

三維激光掃描技術實際上就是采用激光測距，通過掃描鏡和伺服馬達按照定義的掃描范圍和點云密度，依次獲取目標表面各點的三維坐標及紋理信息，實現三維場景重現的技術。三維激光掃描的工作過程，就是一個數據采集和數據處理的過程。從獲取掃描反射接收的激光強度，對掃描點進行顏色灰度的匹配。對于激光掃描儀而言，采樣點是系統局部坐標點，掃描儀的內部中心為坐標原點，一般X、Y軸在局部坐標系的水平面上，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，可得掃描目標點P的坐標（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別就是具有可測量性。

3 三維激光掃描技術與傳統測量方式的比較

3.1 傳統測量方式在建筑物立面測量中的缺點

傳統測量方式通過皮尺、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、高等尺寸進行數據采集，但老舊小區門窗、陽臺、雨篷等附屬設施多而密集，利用傳統的測量方式需要投入大量人員進行外業測量，且無法保證細部的完整性和精度，工作量大、局限性大、作業效率低，內業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，采用傳統方式采集立面數據比較困難。

3.2 三維激光掃描技術的優勢

通過三維激光掃描技術對建筑物進行無接觸掃描，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（掃描精度達到毫米級）、自主性強、智能化等特點，為建筑物立面測量提供了一種更新、更快、更便捷的測量作業模式。而三維激光掃描儀的種類繁多，面對不同的環境狀況，不同的測繪需求及規范，合理地選擇三維激光掃描儀才能更加高效、便捷地應用于項目生產。

3.3 基于SLAM移動激光掃描系統與傳統三維激光掃描系統的區別

目前，傳統三維激光掃描系統均需要依賴于全球衛星導航定位系統（GNSS）和慣性導航系統（IMU），只能用于室外環境。然而，由于室內和地下空間等環境中沒有GNSS信號，因此，傳統的移動測量系統無法正常工作。固定式激光掃描系統可以用于室內室外的環境，但是復雜場景需要大量換站，并進行點云拼接，數據獲取的效率十分低下。然而，即時定位與地圖構建(SLAM)技術在移動測繪方面具有較好的應用，不依托GNSS信號，能夠對室內和室外的地面水平環境進行地圖構建和環境建模。因此，SLAM技術在測繪領域中的應用降低了測量復雜性，不需要大量標記地物點，不需要GNSS信號，適用于在室內室外場景，對于解決傳統測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。

由于SLAM技術無需GNSS信號，對工作環境又有極強的適應性，基于SLAM技術的移動激光掃描系統具有非常大的優勢，具體表現為：

（1）外業數據采集速度極快，可快速獲得所需點云數據，數據精度高。

（2）內業點云預處理時間短，自動化程度高，無需人工干預，短時間內獲得點云數據。

（3）操作簡單易學，無需換站，連續采集，具有連貫性，可實現室內外一體化掃描作業。

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

4 實際案例應用

4.1 項目概況

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

4.2 技術路線

由于老城區的街道大多狹窄，街道兩旁行道樹較多，GNSS信號較差，不穩定，根據項目區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）移動激光掃描系統對老城區11條街道的所有建筑物進行立面測繪。

根據老城區建筑分布及地形走勢規劃掃描線路，主要滿足外墻、窗戶、細部掃描的精度和完整度要求。此外，針對帶狀較長街道數據采集，將嚴格按照分段測量，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 作業流程

4.3.1 作業規范

為了保證采集的掃描數據是滿足各方面要求的，在工作開始之前需要確認作業規范。當前還沒有一個行業內通用的作業規范，需要結合實際去確定點云的密度、點云的精度、前進速度、每測段的長度等。

4.3.2 準備工作

為了掃描工作的順利進行，在外業掃描前需要做一下準備工作。

（1）踏勘：確定需要掃描的目標區域，實地踏勘，規劃掃描路線；

（2）設備準備：檢查移動激光掃描系統的電量、存儲狀態。

4.3.3 人員協調

為了掃描工作的順利進行，需要協調各部門人員進行協助。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域情況的人員，在工作時提供咨詢和指導，協助完成數據采集；

（2）設備操作技術員：操作設備，采集數據，處理數據。

4.3.4 外業掃描工作

（1）將便攜式（手持式）移動激光掃描系統組裝好，開機后進行預熱。

（2）按照設計好的參數進行設置，然后啟動掃描，對老城區建筑物進行掃描。為了更好地輔助內業立面制圖的需要，在移動掃描的過程中，利用便攜式（手持式）移動激光掃描儀標配的全景照相機對建筑各立面進行同步影像采集。由于建筑物結構復雜，空間層次多，在使用便攜式（手持式）移動激光掃描儀進行掃描時，需要分區域、分區塊進行掃描。最終將不同分區的數據進行拼接，形成完整的三維點云模型。

（3）掃描結束，停止掃描，關閉設備，拆卸設備，設備裝箱。

4.3.5 內業數據處理

（1）數據導出及分類：將設備中導出的數據導出，并進行分類、分組，進行重命名，便于識別。

（2）POS解算：使用定位定姿解算軟件對系統中慣導系統的數據進行解算，得到POS文件。

（3）點云融合：將POS文件和點云文件進行融合，獲取三維點云數據。

（4）點云預處理：在掃描物體時，由于遮擋等原因的影響，采集的數據不止是我們需要的數據，其中還包括很多我們不感興趣的數據，例如：物體周圍的花草樹木、車流、人群等，這樣就必須在配準之前要利用數據的預處理把我們感興趣的數據提取出來，以便于后期數據運算處理。預處理的方法很多：可以利用激光強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：以預處理成果為基礎，通過點云數據處理軟件把點云數據轉化的建筑坐標系，通過軟件在每個層次進行點云剖切，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入CAD/Microstation等軟件平臺，可快速進行矢量圖繪制；也可將拼接完整的三維點云模型導入CAD/Microstation/EPS等軟件平臺，通過點云切割，截面等方式進行立面矢量圖繪制。

（7）成果整理：將得到的成果進行保存備份。

4.4 項目應用效果

本項目派出外業掃描技術人員2人，6天完成了全部外業掃描工作，經過4天的內業數據處理工作，完成項目全部工作內容，大大縮短了工期，提高了工作效率。隨后，采用傳統測量方式（全站儀和皮尺方式）對項目成果進行了抽查檢查，測量精度均滿足規范要求，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

三維激光掃描技術能夠快速、高效、高精度地獲取測量目標的表面三維數據，進而快速、高效地獲取舊建筑物的高精度平面、立面、剖面圖，為舊建筑物改造設計、工程量計算、造價等提供數據基礎。相比較傳統測量方式，三維激光掃描技術有著巨大的優勢，為類似項目的測量提供了一種很好的解決方案。

作為傳統測量方式的有效補充，三維激光掃描技術發展時間不長，引進國內時間較短，各種校正體系、誤差界定、軟件的兼容性等還沒有統一的標準，因此，在實際的測量工作中，要充分利用各種測量技術的優勢，相互組合、補充，加強檢核驗證，提高工作效能[3]。

近年來，三維激光掃描技術廣泛應用于各種工程測量領域中，如房產竣工測繪、坑道測繪、土石方測量、三維建模等，文化遺產保護領域也已引入了三維激光掃描技術。