探究三维激光扫描技术在数字城市中的应用李栋

李栋

摘要：三维激光扫描技术是随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新测绘技术，是一种崭新的革命性的测量工具。本文主要探讨了三维激光扫描技术在数字城市中的应用。

关键词：三维激光扫描技术；数字城市；应用

数字城市的建设给城市提供了有效的规划与管理，为城市的经济发展带来更大的机遇和美好的前景。三维激光扫描技术是发展迅速的一种技术，它已成为空间数据获取的一种重要技术手段，三维地面激光扫描仪可用于城市三维重建和局部区域空间信息获取，目前正引起广泛的关注，与传统的测量手段相比，三维激光扫描技术具有独特的优势，可以把三维模型转换到城市坐标系统中，此外可以通过生成模型平台实现虚拟场景的漫游，为数字城市提供基础数据和信息浏览。

1三维激光扫描技术和数字城市概述

1.1三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术不同于单纯的测绘技术，它主要面向高精度逆向三维建模及重构，传统测绘技术主要是单点精确测量，但用它做建模工作时就爱莫能助了，因为描述目标结构的完整属性需要大量的测绘点采集，少则几万个，多则几百万以上，这样才能把目标完整的搬到电脑中来，所以，用现代高精度传感技术做辅助就解决了这个问题，三维激光扫描技术就是这类全自动高精度立体扫描的技术。三维激光扫描技术的应用面非常宽广，它是正向建模(如：由人工操作CA—TIA、UG、CAD…．)的对称应用，所以说它为逆向建模技术(如：从实体或实景中直接还原出模型)。逆向建模可以将设计、生产、实验、使用等过程中的变化内容重构回来，然后进行各种结构特性分析(如：形变、应力、效能、过程、工艺、姿态、预测等)、检测、模拟、仿真、CIMS、CMMS、虚拟现实、柔性制造、虚拟制造、虚拟装配等，这对于有限元分析、工程力学分析、流体动力分析等软件来说是非常重要的，对于精度适合的工作还可以进行后处理测绘、计量等。地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表的，有人称“三维激光扫描系统”是继GPS(GlobalPosition)以来，测绘领域的又一次技术革命。

1.2数字城市概述

数字城市的内容包括技术组成、组织结构及应用等方面。数字城市组织结构，即数字城市工程将通过建设宽带多媒体网络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源，建立电子政务、电子商务、社会保障等空间信息管理服务系统。数字城市是城市信息技术的综合应用，也是当前信息技术应用最广泛的领域。就这个意义而言，数字城市应用十分广泛，归纳起来主要有十二个方面：电子政务、电子商务、城市智能交通、市政基础设施管理、公共信息服务、远程教育、社会医疗保障、社区管理、突发事件处理、城市环境检测、智能化小区、水网调配等。

数字城市的体系结构包括：(1)数据获取与更新体系。包括城市地表、上空及地下等自然地理数据的自动获取系统，城市基础设施数据的实时获取和更新体系，城市人文、经济、政论等社会数据的变更与监控系统等。(2)数据处理储存体系。包括高密度高速率的海量数据储存设施、多分辨率海量数据实时地存贮、压缩、处理技术、元数据管理技术、空间数据仓库等。(3)信息提取与分机体系。包括数据互操作、多元数据集成、信息智能提取分机、海量空间数据的智能提取与分析、决策支持等设施与技术。(4)网络体系。包括高宽带网络、智能网络，支持基于网络的分析式计算操作系统，基于对象的分布式网络服务，分布处理和互操作协议等。(5)应用体系。包括城市规划、地籍管理、城市防灾、城市交通等。同时还包括城市网络生活方式等。(6)管理体系。包括专业人员小组、教育培训、安全管理、系统维护、标准与互操作规范、相关法规等。

2三维激光扫描技术在数字城市中的应用

2.1扫描计划制定

制定详细的工作计划应首先明确扫描对象，可以进行现场踏勘，采集影像、做好观察记录；其次，根据扫描对象、扫描仪的性能确定扫描采样分辨率、设计合适的扫描路线、确定设站和标靶位置。本研究使用的LeicaScanStation2地面激光扫描仪的扫描类型是脉冲式扫描，其基本参数为：测量距离2～300m，视场角（FOV）360°×270°，50m处单点测距精度±6mm，测角精度±12"最大扫描速率50000点/s。待扫描的建筑体积约为70m×20m×30m。根据该扫描建筑，设定扫描站数为四站，分别为建筑的东南、西北、西南、东北，每两站之间架设2个公共标靶。扫描精度为100m处0.2m×0.2m，并根据建筑表面的复杂程度进行加密扫描。由于该建筑结果对称、构造具有重复性，因此仅需精细扫描一个楼层即可满足后面三维建模需要。

2.2外业数据采集

外业工作主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等。现场扫描标靶时把各标靶编号，利于后处理，同时使用GPS测量3个以上的标靶的坐标，以便于后期的扫描坐标系和绝对坐标系

的转换。本次外业工作按照设计总共分4站进行扫描，每站扫描时间在半小时左右，采集的点云数量约1200万个。

2.3内业数据处理

后期数据处理是整个作业过程中最重要也是工作量最大的一环。处理软件采用三维激光扫描仪的配套软件Cyclone。Cyclone能够管理海量数据，并能依据标靶或点云实现点云拼接、数据分块处理和管理功能，可根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管等几何体，并自动构网和生成等高线，依据点云厚度生成点云切片。可以输出dxf、ptx、pts、txt等多种数据格式。Cyclone还具备了正射影像输出功能，CAD用户可以在纠正的影像上得到高精度的二维线划图。（1）数据预处理。数据的预处理包括对点云数据的去噪、修补，经过预处理后点云数据的质量直接决定着模型的质量。对噪声的处理需要手动和软件处理相结合，并设置合适的距离阈值，对噪声点进行删除。（2）数据拼接。在数据采集时，如果被量测物体较大，一般采用分测站的形式对物体进行扫描。点云的拼接方法可以分为2种方法：基于测站的拼接和基于目标或点云的拼接。第1种方法首先要进行控制测量，建立测站点，扫描相当于碎步测量，其点云的质量只与该测站的站点和扫描质量有关，与其他测站无关。但这种方法需要三维激光扫描仪具有整平、定向和对中的功能。第2种方法首先要用至少3个连接点将相邻测站的点云进行拼接，连接点可以是专用标靶或提取的特征点。本研究采用第2种方法。首先利用标靶对扫描的各站进行拼接，使各站数据融合为一个整体，拼接结果误差应<0.006m。如果误差较大，应剔除配准用的个别标靶，但每站配准用的标靶至少为2个。如果剔除个别标靶后，误差仍然不可接受，可以使用特征点点云数据进行配准。把拼接后的数据保存为一个模型空间数据，使用经RTK测量、具有当地坐标系坐标的标靶配准该拼接数据。配准后的点云数据坐标为当地坐标系下的点云数据。（3）三维建模。（4）纹理贴片。建筑物的三维模型建成以后，再通过3DStudioMax软件对建筑物模型进行纹理贴片，其中纹理信息使用高分辨率的数码相机获取，最后生成建筑物模型。

3结语

近些年来，随着数字化技术的迅速发展，各种不同领域对于获取原始数据信息的需求也日益增多。其它相关技术如计算机、机械制造等的进步和发展，使人们获取信息的方法和技术变得多种多样。三维激光扫描技术是其中一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术，它适用于中近距离的宽场景、大物体的快速高精度扫描，为建立场景的三维模型提供了必要而且准确的工具。通过与计算机的连接，三维激光扫描的后处理技术可以使扫描结果得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1]段学军,顾朝林,甄峰,等.数字城市的概念、框架与应用[J].现代城市研究,2008

[2]李清泉．三维空间数据的实时获取、建模和可视化[M]．武汉：武汉大学出版社，2009．

[3]马广利．地面三维激光扫描仪的分类与应用[J].地理空间信息，2009．