王峰，林鸿，李长辉
( 广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510060)
一、引言
三维激光扫描技术是近年来发展起来的一门新兴技术，被誉为“继GPS 技术以来测绘领域的又一次技术革命”，激光也有“最准的尺”的称号。该技术作为获取空间数据的有效手段，通过激光扫描测量的方法，快速采集空间点位信息，同步获取影像数据，为建立地物地貌的二维或三维线划图( 如地形图、建筑物的平立面图) 、高逼真高精度三维模型( 如数字高程模型、建构筑物模型) 提供了一种全新的技术手段。
二、地面激光扫描仪工作原理
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-offlight)进行测距。仪器通过内部伺服马达系统精密控制多面反射棱镜的快速转动，使脉冲激光束进行线阵列或面阵列的扫描，实现高精度的小角度扫描间隔、大范围扫描幅度和高帧频成像。精密时钟控制编码器同步测量每个激光光束横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。三维激光扫描仪的原始观测数据一般包括: 激光光束的水平角度、垂直角; 仪器到扫描点的距离值; 实体表面点的反射强度; 内置或外置数码相机获取的实体影像信息。水平角度、垂直角、距离值用于计算扫描点的三维坐标值，反射强度、颜色信息为物体表面特征信息，用于后续数据处理，如提取实体边缘信息和真彩色纹理信息等。
三、地面三维激光扫描技术业务领域
四、建筑立面测绘应用案例
三、地面三维激光扫描技术业务领域
地面三维激光扫描技术已经成功应用于土木工程、古建筑保护、林业调查、规划设计、虚拟现实建模等领域，图1 为其在城市测绘中可拓展的领域。
笔者所在单位自2009 年开始对该项技术进行调研，于2010 年年底引进了Riegl VZ400 地面三维激光扫描仪，并采用该技术在多个领域进行尝试应用，图2 为部分领域的应用案例。
四、建筑立面测绘应用案例
2011 年3 月，广州市农村城镇化建设项目“打造名村名镇”在市政府的督促下全面展开，其中沿街建筑的立面测绘工作较为繁琐，任务量大。沿街建筑风格多样，高低参差不齐，大部分建筑立面采用普通测量工具不能触及，只能目测，不少建筑被树和灌木丛遮挡，再加上时间紧、任务重，给工作人员带来了压力，同时也给测绘新技术提供了展示其卓越能力的机会。笔者所在单位同时承接了几个镇( 增城市正果镇、派潭镇、花都区梯面镇、从化市鳌头镇) 沿街建筑的立面测绘工作，街道长度约13． 3 km，采用地面激光扫描作业平台( 包括地面激光扫描仪及配套软件) 快速顺利地完成了任务，得到了设计方的好评。
1．地面激光扫描立面测绘方法
(1) 外业数据采集
由于立面测量不需要绝对坐标，所以外业数据采集时，不需要布设靶标和控制网。立面扫描作业时一般需3 个人: 1 个人拍照片，所拍照片应尽量正视所测立面; 1 个人操作扫描仪; 另外1 个人在扫描时观察并选择站点布设位置( 选站时应保证两站之间有足够同名地物点) ，转站时协助搬仪器、脚架、电源等。
(2) 数据预处理
数据的预处理采用Riegl 公司的软件Riscan-Pro，包括数据去燥、补洞、数据粗略配准( 采用同名地物) 、数据精确匹配( 采用ICP 算法) 等。
(3) 建筑立面测图
本案例立面测图时主要采用了两种模式。
① 立体量测模式
采用Riscan Pro 平台，在三维立体模式下选择点、面，并进行交互式三维量测，根据量测结果在AutoCAD 中绘制立面图。
② 平面投影描图模式
在自主研发的软件中进行主平面投影，选择欲绘制的建筑立面点云，将点云投影到拟合平面，转换为DXF 格式，导入到AutoCAD 中，直接将图矢量化( 如图3 所示) 。
本案例采用了以上两种模式，首先采用平面投影描图模式进行描图矢量化，对于投影模式看不清的地方，采用立体量测模式补绘。
(4) 内、外业修补测
对于部分棱边点云数据缺失的，采用钢卷尺、测距仪、全站仪进行修补测; 对于大面积缺漏的，采用扫描仪补测，根据照片、外业补测数据在AutoCAD中绘制成图。
2．激光扫描立面测绘的优势
传统立面测绘采用皮尺、测距仪等进行测量，现场作业时必须绘制草图，然后利用皮尺或者测距仪进行测量，对于无法测量的地方采用目测，其测量精度差、作业过程繁琐，且由于现场大量绘制草图，外业人员可能会对立面细节作出不适当的综合取舍。因此，传统立面测绘方法获取的图形的数学精度和表达精度均较差。
通过各项试验及生产项目实践考证，采用地面激光扫描技术对街道建筑进行立面测绘，速度是传统方法的数倍，获取的数据具有丰富的表面细节，测绘成果的距离精度经检测一般情况优于± 5 cm，图4 为本案例阶段测绘成果。
五、结束语
3．一次测量多次使用，服务于多专业
本案例所测数据可以一次外业测量多次使用。通过后期数据处理，能够使扫描点云根据不同客户需求生成不同模式的数据，从而满足规划、建筑立面改造、三线下地设计调查等方面的需求。
图5 为梯面镇立面改造项目中获取的主干道两侧配准后的点云数据，河道与街道两侧的植被、电线、建筑、河涌、道路等清晰可见可测量，不仅可用于立面测绘，还可生成地形图、通信线与电力线的平立面图，也可从点云中提取数据建立建筑立体模型。
五、结束语
与数字摄影测量技术存在着相似的不足之处，点云数据的全自动成图目前仍未实现，地物的测绘需要立体量测，流行的商业软件只是提供了辅助立体量测及交互式制图功能。三维激光扫描技术的硬件部分已经比较成熟，外业测量工作得到了较大简化，然而后期数据处理的自动化程度仍较低，人力投入较大，因此后期数据处理软件的研发仍任重道远。
参考文献:
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［4］ 卢秀山，郑作亚，王冬，等． 3Dsurs 系统激光扫描点的理论精度评定［J］． 测绘学报， 2010， 39( 2) : 202-206．
［5］ 王峰． 建筑数字仿真的关键技术研究［D］． 上海: 同济大学， 2009．
［6］ 范海英，李畅，赵军． 三维激光扫描系统在精准林业测量中的应用［J］． 测绘通报， 2010( 2) : 29-31．
［7］ 王峰，丘广新，程效军． 改进的鲁棒迭代最小二乘平面拟合算法［J］． 同济大学学报: 自然科学版，2011，39( 9) :1350-1354．
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