奚刚
摘要:利用3D激光扫描技术,通过发射激光到目标物体并接收反射光来获取精确的三维数据。这项技术以其高精度、高速度和能够捕捉复杂结构的优势,正在不动产测绘领域中发挥重要作用。在建筑物三维建模、宗地测量和房屋测绘等应用中,3D激光扫描展现了其独特的优势。然而,3D激光扫描技术的应用面临数据处理难度大、扫描精度受限、成本较高和技术普及度不足等挑战。
关键词:3D激光扫描技术 不动产测绘 三维建模 数据处理
Applications and Challenges of 3D Laser Scanning Technology in Real Estate Surveying and Mapping
XI Gang
(Jining Real Estate Registration Center, Jining, Shandong Province, 272000 China)
Abstract: The 3D laser scanning technology is used to emit a laser to a target object and receive reflected light to obtain accurate 3D data. This technology is playing an important role in the field of real estate surveying and mapping with its advantages of high precision, high speed and the ability to capture complex structures. 3D laser scanning has demonstrated its unique advantages in applications such as the 3D modeling of buildings, parcel surveys and house surveying and mapping. However, the application of 3D laser scanning technology faces challenges such as difficult data processing, limited scanning accuracy, high costs and insufficient technology popularization.
Key Words: 3D laser scanning technology; Real estate surveying and mapping; 3D modeling; Data processing
随着现代技术的发展,3D激光扫描技术已经成为不动产测绘领域的一项革命性工具。该技术利用激光光束精确测量物体的距离,快速生成高精度的三维数据。其不仅提高了数据采集的效率,而且增强了模型的准确性。在建筑物三维建模、宗地地形的细致测量以及房屋的室内空间的准确测绘上,该技术都显示出无与伦比的能力。
1 3D激光扫描技术简介
1. 1 3D激光扫描技术的原理
3D激光扫描技术又称激光测距,或激光雷达(LiDAR),是一种利用激光光束对物体进行精确测距,并产生高分辨率三维图像的先进测量技术。其技术核心是激光发射器发射脉冲或连续激光束照射目标物体被探测器俘获反射光信号。这些信号立即转换成距离数据,由于激光速度已知,所以可以根据光线往返时间来判断激光和物体之间的距离。通过准确测量这些距离数据并结合扫描仪位置与角度信息可在计算机上重构物体准确的三维模型。为了获得全面的三维图像,激光扫描仪通常在水平和垂直方向上移动激光束,能够覆盖目标物体的每一个角落。现代3D激光扫描还结合了高精度的GPS和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU),以提供扫描仪位置和方向的精确信息,它对移动测量来说特别重要,如对车辆或飞行器进行扫描。
1.2 3D激光扫描技术的优势
一是能提供较传统测量方法更准确的效果。激光扫描可以测量几毫米到几厘米的距离,这使得建立极其精确的三维模型成为可能。二是3D扫描速度快,可以在很短的时间内扫描更大范围,极大地提升了数据采集效率。三是激光扫描对复杂不规则形状物体有着出色的捕获能力,能够应用于历史建筑复原、工业部件检测等领域。此外,对于测量易碎或危险物体来说,3D激光扫描技术的非接触性使其具有特别重要的价值,这是由于该技术能够避免物体自身受到损伤。
2 3D激光扫描技术在不动产测绘中的应用
工程建设项目中的不动产测绘,实地测量宗地及其房屋等定着物组成的不动产单元,包括权属调查、宗地测量和房屋测绘,其中权属调查中,涉及建筑物三维建模。
2.1 建筑物三维建模
在不动产测绘领域中,利用3D激光扫描技术对建筑物进行三维建模,是一种效率很高、精度很高的手段。综合激光扫描建筑物可得到具有丰富细节的三维数据点云,并可将这些点云数据迅速转化为准确的建筑物模型。该建模方法既捕捉了建筑物外观尺寸,又准确反映了建筑立面细节、结构缝隙和建筑装饰细微之处。对历史建筑保护、修缮工作来说,3D激光扫描技术由于能捕捉建筑物准确形态且无须与建筑物接触,对扫描易损坏的古迹尤为重要,可以提供重要的数据支撑。另外,在现代建筑设计和施工中,通过激光扫描实现的三维建模能够实现和建筑信息模型系统(Building Information Model,BIM)的无缝融合,从而为设计验证、施工监控、后期维护等环节提供支撑。三维模型有助于工程师、建筑师施工前的仿真、优化设计,减少矛盾,降低返工风险。
2.2 宗地测量
3D激光扫描技术可以通过高精度扫描仪在空中或地面上迅速捕捉地形详细三维数据并形成准确的地形模型。它对工程规划、地质调查、环境监测和灾害管理至关重要。激光扫描能够穿透植被直接对地面进行测量并获取植被覆盖区域内的实际地形数据,这些都是传统地形测量方法中极具挑战的问题。与传统测量方法相比,利用3D激光扫描技术进行地形测量不仅测量速度快,还可以提供更连续、更稠密的数据点,以产生更精确、更细致的地形图。这对于规划道路、水利工程或对洪水风险、土地滑坡风险的评价特别有帮助。在建筑及土木工程项目中,精确的地形数据对土方量计算、规划施工及评价工程可行性具有重要意义[1]。另外,随着科学技术的发展,数据处理算法也在不断升级,通过3D激光扫描得到的地形数据能够更加快捷地换成用户友好格式,如数字地形模型(Digital Terrain Model, DTM)、数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM),可以直观表现地形的起伏变化,可直接应用于各种专业地理信息系统(Geographic Information System, GIS)。
2.3 房屋室内空间测绘
3D激光扫描技术为房屋测绘提供了快速、准确、有效的方法,可以捕获房屋的室内空间环境详细的几何信息。利用激光扫描仪可由专业人员对房间进行全景扫描并几乎瞬间捕捉到空间整体大小及结构布局。它包括墙壁、天花板、地板、窗户以及门的位置,甚至家具和其他室内装饰品的准确位置和尺寸。此类资料的取得对设计师、建筑师及工程师都非常关键,因为这些资料可应用于建筑改造、设施管理、空间规划乃至消防安全分析等领域。在建筑翻新或改造工程中,采用3D激光扫描能够保证新设计和既有结构无缝连接,为建筑测量提供数据准确,降低施工过程中出现的误差及工期延误。除精确度外,3D激光扫描应用于室内测量还有一个显著优点,那就是它捕捉复杂形状与构造的能力。不论是曲线墙面、复杂楼梯造型,还是繁杂管道系统,3D扫描均能准确记录每一个细节,是后期设计修改及设施管理必不可少的资料。另外,施工团队还可利用所产生的高精度三维模型将整个建筑项目3D视觉化处理后再实际开工,从而预测出可能出现的各种矛盾并优化施工方案。在房地产及租赁市场上,3D激光扫描技术也表现出了其特有的优越性。租户与买家可利用虚拟现实(VR)技术根据激光扫描所产生的三维模型进行虚拟游览,这种沉浸式体验往往能增强他们对空间的理解,从而加速决策过程。而对于建筑物的经营与维修来说,准确的室内测量数据能够帮助管理者对空间使用情况做出有效的分析、能源管理、维修规划等。
3 3D激光扫描技术在不动产测绘中的挑战
3.1 数据处理难度大
尽管3D激光扫描技术在不动产测绘中的应用提供了前所未有的精准度和细节,但它也带来了数据处理的重大挑战。首先,激光扫描产生的是大量的点云数据,这些数据量极其庞大,对存储设备的要求非常高。同时,点云数据需要通过专业的软件进行处理才能转化为有用的模型和图形,这个转换过程不仅计算密集,而且需要特定的技术和算法。此外,数据的后期处理需要高度的专业知识和技术经验。工程师和技术人员必须能够识别和解决数据中的噪声、误差以及可能由于扫描角度、距离和反射率等因素引起的不准确之处。处理点云数据以生成准确的三维模型涉及点云的清理、配准、建模,以及最终的渲染等一系列复杂的步骤。每一步都需要精心操作以确保最终结果的准确性。例如:在点云配准过程中,需要将来自不同扫描位置的数据准确对齐,而这往往涉及复杂的算法和迭代过程[2]。在建模阶段,将点云转换为实体模型时,需要保留细节同时去除非必要的数据,平衡模型的准确性和可管理性。
3.2 扫描精度受限
在不动产测绘领域,3D激光扫描技术虽然相比传统方法有着显著优势,但其扫描精度仍受多种因素的限制。设备本身的精度就有一个固有的限制。不同的扫描设备有着不同的精度等级,高精度扫描设备的成本通常较高,这可能会对预算敏感的项目构成挑战。扫描过程中,环境因素如光照条件、温度、湿度以及扫描目标物的表面材质和颜色都可能影响最终的扫描精度。例如:反射性表面或透明物体可能导致激光反射或透射,从而产生数据误差。扫描距离也是精度的一个重要因素。激光扫描仪通常在最佳操作距离内具有较高的精度,超出这个范围,数据质量可能会下降。在室外环境中,扫描距离较长时,大气因素如雾、烟、尘埃、空气湍流等都可能影响激光的传播,进而影响精度。对于复杂的场景,如拥挤的城市环境或多层次的室内空间,扫描仪可能需要从多个角度进行扫描以获取完整的数据,这就需要复杂的数据拼接和校正过程,而这些过程本身也可能引入误差。
3.3 成本较高
高精度激光扫描设备自身价格较高,对于很多企业,特别是小型测绘公司而言都是相当大的一笔投入。该技术不但需要较昂贵的硬件,而且需要与之相匹配的软件以及较强的计算能力才能对所产生的数据进行处理,从而提高了系统的附加成本。数据处理软件一般都要经过采购专业授权,软件更新与维护都要不断花费资金。此外,由于产生的点云数据量巨大,需要大量的存储空间以及良好的数据管理系统,这不仅需要硬件投资,还包括了数据安全和备份的成本。除设备及软件费用外,运行激光扫描设备及处理资料需有专业技术人员,而对这些人进行培训及持续教育亦属费用[3]。专业人才短缺使这些技术人员通常报酬很高,从而进一步提高总体成本。并且因为3D激光扫描属于精密技术的一种,任何不恰当的操作都会使数据的精度降低或测绘不成功,进而带来经济损失。
3.4 技术普及度不足
尽管该技术已被证明在精确度和效率上具有显著优势,但其复杂性和对专业知识的要求较高,导致许多潜在用户望而却步。对大多数测绘专业人员来说,熟练掌握3D激光扫描技术、对数据进行处理及解释结果等都需进行专项培训与练习,但相关培训资源有限,尤其是发展中国家或相关技术未普及的国家。新技术在市场上被接受的程度,通常与技术被认可的程度成正比。相对于传统的测绘技术来说,3D激光扫描技术还比较年轻,很多潜在用户并不了解其潜力和适用范围,所以这些用户可能不愿意投资这项技术。业界对新技术认可度高,标准化进程慢,也是导致普及度不高的因素[4-5]。缺乏统一行业标准与最佳实践使激光扫描技术在应用中具有不确定性。
4 结语
3D激光扫描技术在不动产测绘中展示出强大的潜力和明显的优势,但同时也面临一系列挑战。未来的发展需要针对数据处理的优化、精度提升、成本控制以及技术推广等方面进行不断的努力和创新,以期把这项先进的测绘技术应用到更广阔的场景中。
参考文献
[1]孙国晓, 王珺, 张双玲, 王奕文, 陈述凤等.“三位一体”体育科技工作效果评价体系构建[C]//第十三届全国体育科学大会论文摘要集:专题报告(体育信息分会).中国体育科学学会, 中国体育科学学会, 2023: 3.
[2]曾洪涛, 杨远华, 栾丽霞.科技助力体育的时代背景、现实困境、治理路径与政策纾解[C]//第十三届全国体育科学大会论文摘要集:专题报告(体育工程分会).中国体育科学学会, 中国体育科学学会, 2023: 3.
[3]桂黄宝, 孙璞, 江密.创新文化竞争力国际比较研究[J].科学管理研究,2021,39 (4):159-167.
[4]金欢.无人机倾斜摄影测量技术在安徽省农村房地一体测量中的应用研究[D].合肥:合肥工业大学,2022.
[5]许铭睿.铁路检测激光扫描3D成像系统在线标定方法研究[D].长沙:湖南大学, 2022.