三维激光扫描技术在城市风貌改造立面测量中的应用

罗成刚

四川省冶金地质勘查局测绘工程大队

当前，我国经济社会快速发展，城市面貌发生了翻天复地的变化，大部分地区城市建设品位形象大幅提升，人居环境大大改善。但还有不少地方城镇街道临街建筑与周边的环境、景观极不协调，亟待对旧有建筑的立面进行全方位整治，来进一步提升城市品质形象。如何快速、准确、高效地获取这些城镇街道临街建筑的立面数据，为政府部门在城市风貌改造设计中提供决策依据和数据支撑，成为广大测绘技术人员解决的技术难题和重要任务。

随着现代测绘新技术的发展，特别是三维激光扫描技术的出现，使得原本复杂繁琐的测绘工作，变得更加容易和简单，三维激光扫描技术以其单一性和高聚积度成为继GPS空间定位系统之后又一项新的测绘技术，它推动了三维空间数据获取向着集成化、实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展。通过高速激光扫描测量的方法，可以快速、大量地采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了全新的技术手段。

1 三维激光扫描系统的分类及构成

1.1 三维激光扫描系统的分类

三维激光扫描技术按照测量方式划分为固定式激光扫描系统和移动式激光扫描系统[1]。移动式激光扫描系统按照搭载平台不同，又分为机载移动激光扫描系统、车载移动激光扫描系统、背包式移动激光扫描系统和便携式（手持式）移动激光扫描系统。

1.2 三维激光扫描系统的构成

三维激光扫描系统是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。固定式激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、数据处理平台及电源和其他附件设备共同构成。移动式三维激光扫描系统中除便携式（手持式）移动激光扫描系统外，是由全球卫星导航定位系统（GNSS）、惯性导航系统（IMU）结合固定式激光扫描系统组合而成，便携式（手持式）移动激光扫描系是基于即时定位与地图构建(SLAM)技术与固定式激光扫描系统相组合而成的三维激光扫描系统，其核心部件包括全景照相机、激光扫描仪、惯性测量单元、伸缩杆、外置电源、操控平板电脑、预处和重建软件（模块）。

2 三维激光扫描技术的基本原理

三维激光扫描仪的发射器通过二极管发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜射向目标，然后通过探测器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息。三维激光扫描仪对实体进行扫描时，获取了不同对象对激光的光射时间差，从而测出激光与物体之间的距离，用编码器来测量镜头旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度，最终获取被测对象表面每个采样点空间立体坐标，得到被测对象的离散点集合，这些称之为“距离影像”或“点云”[2]。

三维激光扫描技术实际上就是采用激光测距，通过扫描镜和伺服马达按照定义的扫描范围和点云密度，依次获取目标表面各点的三维坐标及纹理信息，实现三维场景重现的技术。三维激光扫描的工作过程，就是一个数据采集和数据处理的过程。从获取扫描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样点是系统局部坐标点，扫描仪的内部中心为坐标原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴通常为扫描仪的扫描方向，Z轴为垂向方向。见图1所示。由此，可得扫描目标点P的坐标（XP，YP，ZP）计算公式为：

①XP＝Scosωcosα；

②YP＝Scosωsinα；

③ ZP＝ Ssinω[1]。

图1 三维激光扫描技术的基本原理

三维激光扫描所获取的由点云组成的影像与通常扫描的栅格影像最大的区别就是具有可测量性。

3 三维激光扫描技术与传统测量方式的比较

3.1 传统测量方式在建筑物立面测量中的缺点

传统测量方式通过皮尺、测距仪及全站仪等工具对具有施测条件的建筑物外立面的长、宽、高等尺寸进行数据采集，但老旧小区门窗、阳台、雨篷等附属设施多而密集，利用传统的测量方式需要投入大量人员进行外业测量，且无法保证细部的完整性和精度，工作量大、局限性大、作业效率低，内业成图工作较为繁重且易出错，特别是对于楼层较高的建筑物，采用传统方式采集立面数据比较困难。

3.2 三维激光扫描技术的优势

通过三维激光扫描技术对建筑物进行无接触扫描，能快速获取建筑物外立面的密集点云和影像，具有采集时间短、精度高（扫描精度达到毫米级）、自主性强、智能化等特点，为建筑物立面测量提供了一种更新、更快、更便捷的测量作业模式。而三维激光扫描仪的种类繁多，面对不同的环境状况，不同的测绘需求及规范，合理地选择三维激光扫描仪才能更加高效、便捷地应用于项目生产。

3.3 基于SLAM移动激光扫描系统与传统三维激光扫描系统的区别

目前，传统三维激光扫描系统均需要依赖于全球卫星导航定位系统（GNSS）和惯性导航系统（IMU），只能用于室外环境。然而，由于室内和地下空间等环境中没有GNSS信号，因此，传统的移动测量系统无法正常工作。固定式激光扫描系统可以用于室内室外的环境，但是复杂场景需要大量换站，并进行点云拼接，数据获取的效率十分低下。然而，即时定位与地图构建(SLAM)技术在移动测绘方面具有较好的应用，不依托GNSS信号，能够对室内和室外的地面水平环境进行地图构建和环境建模。因此，SLAM技术在测绘领域中的应用降低了测量复杂性，不需要大量标记地物点，不需要GNSS信号，适用于在室内室外场景，对于解决传统测绘中的定位及场景重建问题具有广阔的前景。

由于SLAM技术无需GNSS信号，对工作环境又有极强的适应性，基于SLAM技术的移动激光扫描系统具有非常大的优势，具体表现为：

（1）外业数据采集速度极快，可快速获得所需点云数据，数据精度高。

（2）内业点云预处理时间短，自动化程度高，无需人工干预，短时间内获得点云数据。

（3）操作简单易学，无需换站，连续采集，具有连贯性，可实现室内外一体化扫描作业。

（4）SLAM技术的便携式（手持式）移动激光扫描仪在任意环境中长时间工作故障率低，对于精度要求较高的重点区域，可与固定测站式三维激光系统配合使用，既能保证精度，又能保证效率。

4 实际案例应用

4.1 项目概况

某县老城区风貌改造品质提升项目是该县的一个重要的形象工程，工作内容为：对老城区11条街道的所有建筑物进行立面测绘，立面测绘面积约1100000平方米，要求提供老城区所有建筑物的立面图（墙体、门、窗准确位置），提供1：500建筑物平面图，提供建筑附属物的位置关系等，工期为15天。

4.2 技术路线

由于老城区的街道大多狭窄，街道两旁行道树较多，GNSS信号较差，不稳定，根据项目区的具体情况和工期要求，该项目采用了基于SLAM的便携式（手持式）移动激光扫描系统对老城区11条街道的所有建筑物进行立面测绘。

根据老城区建筑分布及地形走势规划扫描线路，主要满足外墙、窗户、细部扫描的精度和完整度要求。此外，针对带状较长街道数据采集，将严格按照分段测量，每200～300 m分段扫描，有助于控制整体扫描精度，防止带状扫描距离过长累计误差较大。

4.3 作业流程

4.3.1 作业规范

为了保证采集的扫描数据是满足各方面要求的，在工作开始之前需要确认作业规范。当前还没有一个行业内通用的作业规范，需要结合实际去确定点云的密度、点云的精度、前进速度、每测段的长度等。

4.3.2 准备工作

为了扫描工作的顺利进行，在外业扫描前需要做一下准备工作。

（1）踏勘：确定需要扫描的目标区域，实地踏勘，规划扫描路线；

（2）设备准备：检查移动激光扫描系统的电量、存储状态。

4.3.3 人员协调

为了扫描工作的顺利进行，需要协调各部门人员进行协助。人员需求如下：

（1）安全员：需要扫描场地管理单位安排一位熟悉扫描区域情况的人员，在工作时提供咨询和指导，协助完成数据采集；

（2）设备操作技术员：操作设备，采集数据，处理数据。

4.3.4 外业扫描工作

（1）将便携式（手持式）移动激光扫描系统组装好，开机后进行预热。

（2）按照设计好的参数进行设置，然后启动扫描，对老城区建筑物进行扫描。为了更好地辅助内业立面制图的需要，在移动扫描的过程中，利用便携式（手持式）移动激光扫描仪标配的全景照相机对建筑各立面进行同步影像采集。由于建筑物结构复杂，空间层次多，在使用便携式（手持式）移动激光扫描仪进行扫描时，需要分区域、分区块进行扫描。最终将不同分区的数据进行拼接，形成完整的三维点云模型。

（3）扫描结束，停止扫描，关闭设备，拆卸设备，设备装箱。

4.3.5 内业数据处理

（1）数据导出及分类：将设备中导出的数据导出，并进行分类、分组，进行重命名，便于识别。

（2）POS解算：使用定位定姿解算软件对系统中惯导系统的数据进行解算，得到POS文件。

（3）点云融合：将POS文件和点云文件进行融合，获取三维点云数据。

（4）点云预处理：在扫描物体时，由于遮挡等原因的影响，采集的数据不止是我们需要的数据，其中还包括很多我们不感兴趣的数据，例如：物体周围的花草树木、车流、人群等，这样就必须在配准之前要利用数据的预处理把我们感兴趣的数据提取出来，以便于后期数据运算处理。预处理的方法很多：可以利用激光强度把同一类物体同时选中后删除、人工选取等方法。

（5）平立剖面图绘制：以预处理成果为基础，通过点云数据处理软件把点云数据转化的建筑坐标系，通过软件在每个层次进行点云剖切，绘制出点云平立剖面图。

（6）立面图绘制：将基于点云生成的平立剖面图导入CAD/Microstation等软件平台，可快速进行矢量图绘制；也可将拼接完整的三维点云模型导入CAD/Microstation/EPS等软件平台，通过点云切割，截面等方式进行立面矢量图绘制。

（7）成果整理：将得到的成果进行保存备份。

4.4 项目应用效果

本项目派出外业扫描技术人员2人，6天完成了全部外业扫描工作，经过4天的内业数据处理工作，完成项目全部工作内容，大大缩短了工期，提高了工作效率。随后，采用传统测量方式（全站仪和皮尺方式）对项目成果进行了抽查检查，测量精度均满足规范要求，成果合格，见图2、图3、图4。

图2 建筑立面成果图

图3 最终成果图

图4 最终成果图

5 总结

三维激光扫描技术能够快速、高效、高精度地获取测量目标的表面三维数据，进而快速、高效地获取旧建筑物的高精度平面、立面、剖面图，为旧建筑物改造设计、工程量计算、造价等提供数据基础。相比较传统测量方式，三维激光扫描技术有着巨大的优势，为类似项目的测量提供了一种很好的解决方案。

作为传统测量方式的有效补充，三维激光扫描技术发展时间不长，引进国内时间较短，各种校正体系、误差界定、软件的兼容性等还没有统一的标准，因此，在实际的测量工作中，要充分利用各种测量技术的优势，相互组合、补充，加强检核验证，提高工作效能[3]。

近年来，三维激光扫描技术广泛应用于各种工程测量领域中，如房产竣工测绘、坑道测绘、土石方测量、三维建模等，文化遗产保护领域也已引入了三维激光扫描技术。