基于三维激光扫描技术的城市地下空间三维建模

张照杰，张宏波，李 娜

（1.正元地理信息集团股份有限公司，浙江 德清 313200）

城市地下空间是数字孪生城市的重要组成部分，其空间位置和内部建筑设施布置等站点信息已成为城市管理部门建立地下空间地理信息系统必须要掌握的重要内容之一，典型的地下空间包括地下商业街、地下停车场、人防工程、地铁站等。在对地下空间的建筑物三维建模过程中，由于缺少现势性强的二维竣工图作为参考，且地下空间要素众多，地下空间三维建模将比地上更加难以开展。

随着现代高精度测量技术的发展，三维激光扫描技术逐步应用于地下空间测绘领域，三维激光扫描仪[1-4]可以在复杂的地下空间环境中进行扫描作业，采用非接触测量精确地获取被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，该技术应用于城市地下空间的三维建模中具有无可比拟的优势。

1 三维激光扫描技术优势分析

1.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术原理和全站仪测距测角的原理类似，主要不同点在于三维激光扫描采用非接触方式，通过发射高速激光束高精度扫描测量物体表面，同时记录大量的密集点云数据，快速获得空间点位三维信息，具有采集高精度、高分辨率、速度快、非接触式测量等优势。三维激光扫描仪采集到的点云数据是以特定坐标系统为基准的，通常称为扫描坐标系，定义为坐标原点位于激光束发射处，X轴为仪器的横向扫描面水平转动轴的零方向，Z轴位于仪器的竖向扫描面内天顶方向，Y轴位于仪器的横向扫描面内，与X轴、Z轴构成右手坐标系，如图1所示。

图1 三维激光扫描技术原理

图1中α为三维激光扫描仪测量到的水平角；θ为扫描仪测量到的竖直角；S为坐标原点到扫描点的距离，那么扫描点的坐标（X,Y,Z）为：

1.2 利用三维激光扫描技术开展城市地下空间三维建模的优势

城市地下空间一般是由独立的单体建筑构成，存在结构复杂、通视条件差、光照不足等特点。虽然传统的全站仪测量方式可以完成城市地下空间的测量，但存在很多难以解决的实际问题，如控制网布设相对困难、工作效率低、易发生漏测、测错的情况、工作流程复杂等。

三维激光扫描技术是新型高精尖测绘技术，采用主动发射激光测量的方式，通过无接触式激光扫描可快速、高分辨率地获取地下空间场景中有效范围内建筑物表面的高精度点云数据，不仅能探测到地下空间的每个角落，而且能对地下空间内部复杂结构表达详尽，有效避免了漏测、测错现象。另外，现场作业时，不受光照条件的影响，克服了地下空间光照不足的困难，因此，三维激光扫描技术在地下空间测绘中相较于传统测量方法，有无法比拟的优势。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程位于浙江省杭州市解放东路2号杭州洲际酒店，工作范围包括该酒店负二层地下停车场A、B、C、D区。地下空间总面积约为45 167 m2，共有2个出入口。

本文利用三维激光扫描仪Faro FOCUS 3D 120对杭州洲际酒店负二层地下停车场进行扫描作业，获取目标对象的点云数据，使用法如激光扫描仪自带软件Faro Scene来实现多站点云的拼接，点云除噪，坐标系统的转换等工作，然后再基于点云数据和现场拍摄照片，利用Geomagic Studio专业编辑软件进行三维网格模型的构建，并在Faro scene软件中，应用配准功能，通过不少于5对的网格模型和照片相应的配准点，将照片映射到模型上去，生成彩色的三维模型。最后利用3ds Max2017软件将真彩色的三维模型转换成GIS平台需要的格式。三维激光扫描仪工作流程如图2所示。

图2 三维激光扫描仪工作流程

2.2 实施过程

2.2.1 数据采集

本次数据采集使用的三维激光扫描仪为Faro FOCUS 3D 120，该仪器的激光模式是相位式，可扫描最大距离约为153m，扫描精度为±2m，具有垂直305°、水平360°的视野范围。该仪器具有极高的扫描速率，最大扫描速度为976 000点/S，每站的扫描测量时间约2～5min。通过实地踏勘和对已有资料的分析确定扫描方案，在保证数据采集完整的前提下，优化设站路径规划，尽量用最少的设站数量，减少拼接次数，相邻两站之间有不少于3个可清晰识别标靶球，在每站可视范围内，保证90%以上的数据完整性，站与站之间重复率在30%以上。针对地下空间的特殊部位，进行数据补充，保证完整性。本次工程共布设45站，现场设站扫描作业情况如图3所示。为了将点云数据坐标转换至2000国家大地坐标系下，在两个出入口附件各布设3个控制点，使用ZJCORS系统测得6个控制点的平面坐标和高程。

图3 现场设站扫描作业图

2.2.2 点云数据处理

点云的数据处理[5-8]主要包括点云拼接、点云着色、滤波去噪等。使用的软件为：Faro scene。

1）点云拼接，也称为点云配准，包括局部拼接和整体配准。局部拼接是针对同一物体不同角度或距离的扫描进行拼接，是以扫描仪参考站为零点进行的站点与站点间的拼接，局部拼接需要有参考物作为基准。本工程中参考物采用直径14.5 cm的标靶球，两站点之间至少设置3个公共参考物，每一个参考物都赋予易识别且容易记忆的名称。当参考物设置完成后，局部拼接采用Faro scene软件自动完成，拼接完成后应及时切换三维视图或对应视图查看局部拼接效果以及时修正。局部拼接精度要小于2 mm。点云整体配准是对项目中不同区域的扫描点整体整合并将其坐标转换为绝对坐标的配准。本工程通过ZJCORS系统获得控制点的平面坐标和高程，导入扫描集群进行外部参考控制，即可将坐标转换为2000国家大地坐标。

2）点云着色，Faro FOCUS 3D 120内置色彩选项，设站扫描时开启，仪器在扫描之后会拍摄照片作为原始色彩数据，通过Faro scene软件可以将照片拼接成一幅彩色全景图并且彩色数据会赋予点云，每个点云的参数会增加对应的RGB色彩信息，形成彩色的三维点云。

3）点云除噪，这个工作主要目的是将点云中无用的数据删除，主要用到Faro scene软件中的多种选择工具。

2.2.3 三维模型构建

本工程采用官方合作软件GeomaGIS Studio进行三维模型的构建。此软件的建模流程比较成熟，首先将点云导入到Geomagic Studio中去，用统一命令对点云进行抽稀，控制点云数量，对墙体、管线和钢结构等规则物体进行自动化、半自动化建模，其他物体进行人工建模。再利用封装命令将点云封装成适用主体建模表现方式的三维模型。

2.3 成果分析

2.3.1 平面精度检验

在酒店负二层地下停车场选取了15个明显特征点，主要分布在停车场四周墙面上、支撑立柱的棱角处、墙的转角处等特征点处。利用全站仪测出15个明显特征点的平面坐标，作为真值，在三维模型中量取相应点的坐标值作为检测值，计算统计真值和检测值之间的较差，分析得出该地下停车场三维模型的平面精度。

从表1的统计数据可以得到，15个检查点中平面点位误差ΔS最大值为7.5 cm，采用平面点位误差ΔS经计算的平面中误差为1.6 cm，满足地下空间建筑物测绘精度[9]的要求。

表1 三维模型平面精度统计表

2.3.2 三维模型成果展示

利用三维激光扫描仪Faro FOCUS 3D 120对杭州洲际酒店负二层地下停车场进行扫描作业，获取了该停车场的点云数据，经内业数据处理后，得到该地下停车场的点云模型，基于点云数据最终生成该地下停车场的三维模型，如图4所示。

图4 地下停车场三维模型

3 结 语

本文以地下停车场为例，对三维激光扫描技术在城市地下空间三维建模中的应用进行了分析和探讨，并通过具体的工程实例，详细阐述了数据采集、点云数据处理、三维模型构建的方法和流程。实践表明三维激光扫描技术可快速、高精度、细节直观的构建出地下空间的三维模型，特别是在通视条件差、不规则的地下空间更具有优势；通过与全站仪测量数据的比较，构建的地下空间三维模型的精度能够满足地下空间建筑物测绘精度要求；相较于传统的建模方法，使用三维激光扫描技术大大缩短了数据采集的时间，降低了技术人员的劳动强度，提高了建模工作效率。