摘要：本文介绍将三维激光扫描测绘技术应用于永嘉县五尺红色旅游基地环境整治工程房屋外立面测绘，利用点云数据处理软件生成房屋外立面图形的过程，分析与思考三维激光扫描测量的应用优势和发展前景。
关键词：三维激光扫描；点云数据采集；旅游开发；环境整治；房屋立面图绘制
1引 言
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是上世纪90年代中期开始出现的一项高新技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命。它突破了传统的测量方法，实现了数据采集由点到面技术突破，具有高效率、高精度的独特优势。
本文主要通过介绍三维激光扫描测量技术的原理以及用于永嘉县五尺红色旅游基地环境综合整治房屋立面测量的应用过程，体现利用新技术克服了传统建筑立面测量的局限性，对建筑物进行无接触扫描，同时将获得的点云信息快速转换成计算机可以处理的数据的高效测量方式的优势。有效的解决了建筑物立面数据人工采集时所带来的精度损失、效率损失等问题，尤其是解决了高层建筑物立面元素无法量测的问题。体现了三维激光扫描技术具有快速、无接触、实时性强、精度高、主动性强、数字化、自动化等特点。
2 三维激光扫描仪工作原理
三维激光扫描系统可分为脉冲式、相位差式和三角测距原理式几类。目前市场流行的地面三维激光扫描仪主要是脉冲式，此类扫描仪基于时间漂移原理（Time—of—flight）进行测距，具有测程远，测距精度高等特点。
三维激光扫描仪是利用激光测距的原理，三维激光扫描仪的原始观测数据一般包括激光光束的水平角、垂直角；仪器到扫描点的距离值；实体表面点的反射强度；通过内置或外置数码相机获取实体影像信息，得到扫描点的颜色信息。水平角、垂直角、距离值用于计算扫描点的三维坐标值，反射强度、颜色信息可用于点云数据后续处理，提取实体边缘位置信息和真彩色纹理信息。
3 三维激光扫描仪在房屋立面测量中的应用实例
3.1项目概况
永嘉县五尺村位于楠溪江上游、岩头镇西北6公里处，该村的四分祠堂是当年中国工农红军军部所在地。旧址主要由军部旧址、纪念碑、纪念馆三部分组成，占地面积1467平方米，于1989年12月被浙江省列为文物保护单位，1994年7月被温州市委宣传部、温州军分区列为温州市爱国主义国防教育基地，1995年11月被永嘉县委、县政府列为永嘉县爱国主义教育基地，1996年12月被中共浙江省委、省政府列为浙江省爱国主义教育基地，同时被温州大学、浙江师范大学、红蜻蜓集团有限公司等多家学校和企业列为爱国主义教育基地，2005年9月被团省委、省旅游局评为浙江省红色之旅经典景区，并被授予"浙江省青少年红色旅游精品路线"，省委已上报中央审批，积极争取将红十三军旧址列入全国红色旅游基地建设范畴。
永嘉县在发展"红色旅游"带动并开发了"绿色游"和"宗教文化游"，做到以"红"带"绿"，以"绿"扶"红"，使养在深闺人未识的旅游线路得到积极推广，做到"游了楠溪江，要来五尺乡"。温州楠溪江风景旅游管理委员会于2017年12月起动对该景区周边环境综合整治，特委托我院进行房屋立面测量为周边沿线房屋立面改造提供数据支持。
3-1作业区范围图
3.2项目技术流程
采用三维激光扫描仪对项目范围内的建筑外立面进行扫描，获得的数字点云模型及数字正射影像，并绘制DWG格式立面图。要求图片清晰、数据详实，满足立面整治施工图绘制和工程量计算的要求。
结合工作生产实践，基于地面三维激光扫描仪的建筑立面扫描工作流程，总体技术路线如下图所示：
图3-2 房屋立面三维激光扫描流程
3.3外业数据采集
本项目立面扫描采用一台天宝tx5三维激光扫描仪，高清数码相机进行外业点云数据采集，采用相应配套点云处理软件Cloudcompare和 SCENE进行三维计算和切片制作，最后采用AutoCAD进行绘图。
由于本项目不需要进行整体构图，只需单幢房屋立面进行拼接，因此选择以自由设站方式进行扫描。在了解作业区地形地貌的基础上来考虑布设扫描测站点，对于结构复杂、通视不畅或者线路拐角的地方适当增加扫描设站点。
外业作业时应确保所选择的测站能完全覆盖测区范围，尤其高层建筑顶面以及建筑侧面，对位于站站之间的建筑点云密度可能不够，所以应保证足够的重叠度，以便内业处理时进行选择同名点进行配准，配准后测站范围外缘密度稀疏的点云可由相邻测站的点云进行弥补，点云在足够重叠度的前提下，则能够进行自动精确配准。
外业测站布设时，还应综合考虑仪器本身性能（测程范围，最大仰角）、相邻测站位置等，对于不同高度的建筑物可采取不同梯度来增加三维激光扫描作业，进一步保证数据采集的完整性。
外业作业时，一个组2人利用一台天宝tx5三维激光扫描仪，对五尺社区红色旅游基地周边长约2公里，房屋立面积约4万平方米范围进行扫描，平均每天工作时间7小时，2.5天便完成外业全部扫描任务。
另外部分建筑视线死角，有需要的还可以结合人工利用钢尺丈量的方式进行补测。
3．4点云数据内业处理
点云数据预处理和配准采用相应配套点云处理软件Cloudcompare和 SCENE进行三维计算和切片制作，最后采用AutoCAD进行绘图。数据采集完后，如果存在仪器中，则需把数据导人到电脑中对数据质量进行检查，数据的预处理主要是冗余数据清理（如植被、电力线等删除）。
经过预处理的数据，则需要进行站站间的配准，首先要进行粗配，可以采用两种方法：
（1）选择同名特征点的方法进行配准，至少要选择4个同名点；
（2）人工交互式移动测站粗配，再采用ICP算法自动精配，提高配准精度。
在点云数据高精度配准的前提下，把所有站点的相关数据集中到一个坐标系中进行去噪平滑处理，就可以形成目标物体的点云模型。再将处理过的点云数据经过Cloudcompare和 SCENE软件进行计算和制作。
3．5立面图测制
利用处理后的点云数据测制立面图采用两种方法：
（1）立体模式特征点提取（三维量测）该方法需要作业人员在电脑内以立体观测模式选择点、面，而后进行三维量测，提取特征点进行测量，然后在AutoCAD中进行绘图，由于在立体观测模式下点云数量巨大，测标切准目标点的准确性受到观测视角以及主观判断的制约，因此作业员需要反复变换视角进行确认观测，造成作业效率较低。
（2）平面投影描图模式该方法改善了方法（1）立体量测作业员需要反复变换视角进行确认观测造成的效率低下的弱点，通过将点云经自主研发软件的投影功能，进行主平面投影，旨在每次锁定一个平面进行编辑，排除立体点云中非当前目标面上点云的干扰，将投影后得到的目标面点云直接导入到AutoCAD中，在平面上进行矢量化描绘，省去了立体观测的繁复，显著提高作业效率。下图为平面投影模式特征点提取（三维量测）工作环境：
图3-5所示为基于建筑房屋正面点云进行平面量测
图3-5所示为房屋立面测量成果图
3．6立面图量测误差统计与分析
为了确保成果质量，院总工办专门组织了该项目的比对抽查。首先检查图形是否有错漏，其次对图形量测精度进行野外检测。
通过野外巡视检查，图形是点云加影像图作为底图的方式绘制的，基本不存在错漏。同时在外业抽查了40条房屋边长尺寸数据，进行野外实地校核，结果如下表：
表1 精度检查数据统计
从表1中检查精度统计结果可以看出边长量测最大误差为4cm，最小误差为0，利用高精度的三维激光扫描仪进行作业，排除人为的粗差，外业点云的三维扫描精度就是立面图的绘制精度。因此说明三维激光扫描技术完全可以用于房屋立面测绘工程项目，其数据完全满足整治项目房屋立面改造设计和工程量预决算精度要求。
4.三维激光扫描技术运用的优、劣势分析
从该项目运用三维激光扫描仪进行立面测量的过程，可以看出相比于传统的测量方式，有以下诸多优势所在：
（1）作业效率高。项目范围内有40000平方米的建筑立面，如果用传统的全站仪加皮尺人工丈量的方式，两组人两台仪器至少需要8-10天以上外业时间；而使用三维激光扫描仪进行测量，一组人只用了2.5天时间。
（2）无需绘制草图。由于三维激光扫描仪测量速度很快，同时配备了高清相机，所以对于外业测绘科研全方位测量，其外业数据较全，所以也无需绘制草图，只需在内业进行综合取舍，完成制图任务。
（3）可以全天候作业。雨天、夜间作业采用的激光扫描仪具备较高防水性，结合远程操作，且不需要瞄准及绘制草图，所以在雨天或夜间，测量人员可以待在车内进行远程操作测量。
（4）无透视投影变形。摄影测量技术中相片的拍摄是透视投影，产生了较为明显的变形，而激光扫描仪类似全站仪直接获取距离和角度，所以其点位无投影变形，因此点云和结合后更容易生成正摄影像（DOM），精度更高。
（5）利用三维激光扫描技术进行建筑物立面测量的过程中，产生了大量的点云数据，对于测区内部古建筑的恢复、修缮和开发利用，均能起到较大的作用。
三维激光扫描技术就目前的应用状况，仍然存在着诸多不足之处：
（1）地面三维激光扫描仪在数据采集过程中受周围环境和场地影响较大，有其它物体遮挡时，得到的数据并不是想要的有效数据，后期处理较为复杂。
（2）技术发展时间不长，价格昂贵。对于一台设备上百万的价格，一般企业公司都是承受能力有限。
（3）三维激光扫描技术还未大范围推广应用，各个领域应用尚在探索之中。
（4）仪器各种旋转轴系差尙没有统一的检定标准。
（5）三维激光扫描仪的校正体系还不完善，引起的扫描结果误差难以界定。
（6）三维激光扫描获得的数据量较大，对内业处理的软硬件要求高。
5.结束语
本文通过测绘新技术的应用，对地面三维激光扫描仪的工作原理进行了梳理。结合永嘉县五尺红色旅游基地环境综合整治工程项目，利用地面三维激光扫描技术的全天候、高效、准确等技术优势，完成了一系列建筑立面测量项目，为政府进行项目决策和工程施工提供了准确的数据支持，并取得了较好社会的成效。
同时可以期待在不久的将来，随着三维建模的研究以及计算机软硬件环境的不断发展，三维激光扫描技术与惯性导航（INS）、全球定位系统（GPS）、电荷藕合（CCD）等技术相结合，在地理信息领域用大范围数字高程模型的高精度实时获取、城市三维模型重建等方面表现出强大的优势，必将成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。
参考文献：
[1]周华伟，朱大明，瞿华蓥．三维激光扫描技术与GIS在古建筑保护中的应用[J]．工程勘察，2011（6）．
[2] 黄承亮，向娟．三维激光扫描技术应用于建筑物建模的测量方法研究[J]．城市勘测，2011（1）．
[3] 马立广．地面三维激光扫描测量技术研究[D]．武汉：武汉大学，2005．
[4] 范海英，杨论，刑志辉等．Cyra三维激光扫描系统的工程应用研究[J]．矿山测量，2004（3）：16～18．
[5] 刘旭春，丁延辉．三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J]．测绘工程，2006，15（1）：48—49．
论文作者:盛建新
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/19
标签：激光论文; 扫描仪论文; 测量论文; 数据论文; 立面论文; 作业论文; 技术论文; 《基层建设》2019年第12期论文;