時間：2023-05-30 10:37:39
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇三維激光掃描儀，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
[中圖分類號] O343.2 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2014）-8-220-2
隨著我國科學技術的快速發展，激光掃描技術得到進一步的提高，高端的三維激光掃描儀器逐漸進入普通人的視野。地面三維激光掃描儀是近年來出現的一種新型儀器，在國內越來越引起研究領域的關注。它具有高精確、快速、無接觸測量等優點，可以以無接觸形式快速獲取地球表面及其上面各種目標海量的三維點云數據，這使得三維激光掃描儀的應用領域由傳統的建筑、制造和室內設計向工程測量、變形監測等測繪領域逐漸發展。目前，在三維激光掃描儀應用于變形監測工作當中，許多新的技術方法、數據處理研究方法需要隨之跟上，如何利用好這項先進的技術做變形監測工作也成為測量人員有待深入研究的話題。本文針對三維激光掃描儀變形精度研究進行探討，希望對推廣這項技術的應用有所幫助。
1數據獲取方法
本實驗采用索佳精密監測全站儀SOKKIANET1和徠卡三維激光掃描儀LeicaScanStation2來獲取被監測對象的變形數據。數據獲取流程為：（1）進行現場踏勘，（2）布設控制點和標靶點，如圖1所示。
其中A、B、C和D為變形監測控制點，是穩固不變的點，用于將掃描的點云數據從儀器獨立坐標系轉換到測量坐標系或局部坐標系下面，同時，它們也可以作為標靶點用來做拼接使用；1～8號點是布設在變形體表面的標靶點，一是點云配準使用，二是作為變形體變形特征點使用（用于分析變形量及其精度評價）。
以上準備工作完成之后，接下來進行三維點云數據的獲取。SOKKIANET1全站儀集成了全站儀的最新技術，最小距離顯示為0.1mm。在無棱鏡的條件下，其測量精度也達到了1mm的量級。LeicaScanStation2的單點定位精度（50m距離）形成模型表面的精度±2mm，標靶獲取精度±1.5mm。實驗獲取的是被監測對象的表面三維點云數據（兩期數據，每期有多站測量數據）以及所有控制點和標靶點的高精度三維全站儀坐標數據。三維點云數據的拼接、去噪、平滑和抽稀是在徠卡Cyclone6.0軟件中完成的，Cyclone三維數據處理軟件的主要模塊有Cyclone-SCAN、Cyclone-REGISTER、Cyclone-MODEL、Cyclone-SURVEY等模塊，可控制徠卡掃描儀完成點云數據采集、自動掃描測量標靶點、依據標靶或點云實現點云拼接、可以導入和輸出DXF、TXT等多種數據格式等強大的功能。
接下來我們把用全站儀所測量的控制點（A、B、C、D點）的測量坐標以txt文本進行存儲，并在Cyclone6.0中以標靶點云的形式導入，以它為基準進行每期點云數據的坐標轉換，這樣整個點云數據就都在標準測量坐標系或者局部坐標系的下面，然后我們就可以進行變形分析信息的提取和誤差分析。
2點變形分析與精度評估
三維點云數據經過控制點轉換后，所有坐標就轉換到測量坐標或者局地坐標系下面。每一個標靶點都具有三維激光掃描轉換坐標和全站儀實測坐標兩個坐標值，并且全站儀實測坐標值的精度要比三維激光測量精度高一個數量級。本文以全站儀坐標值為真實值來評價三維激光點的精度。根據測量中誤差公式：
現將變形監測結果和精度評價列于表1。
通過表中數據可以看出，三維激光掃描測量標靶點變形監測有很高的精度，觀測點的點位精度中誤差分別是Mx=±0.0004，My=±0.0006，Mz=±0.0006，觀測點平面誤差Dxy=±0.0008，Dxz=±0.0007，Dyz=±0.0009，觀測點的三維誤差為Dxyz=±0.0010。
3線變形分析與精度評估
三維激光掃描是變形測量的代表，能很好的反映監測對象整體的變形信息，除去標靶點外，很難在兩期點云數據之間找到其他的同名點。基于此，我們根據數值分析中插值的思想，采用三次樣條插值函數擬合三次樣條曲線，這樣就可以得到被監測對象任何一點的變形值。首先我們以一個垂直于z軸的平面剖割點云（為了研究的方便，剖線是依據標靶點z坐標來剖割的，并且具有一定寬度的剖割），然后將剖出的點云數據以txt格式導出，最后在MATLAB軟件中實現三次樣條曲線的擬合。
三次樣條函數的擬合是在MATLAB軟件中實現的，主要代碼如下：
clear
A=importdata（′C：＼Users＼lyg＼Desktop＼11。txt′）；
m=A（：，1）；
n=A（：，2）；
x=m′；
y=n′；
xx=-98.6163：0.0001：-96.7838；
yy=spline（x，y，xx）；
plot（x，y，′o′，xx，yy）
pp=spline（x，y）；
[breaks，coefs，nploys，ncofs，dim]=unmkpp（pp）；
經過上面的過程，我們就可以擬合出所需要的曲線，并對曲線進行分析。為了表示一般性，擬合過程中需要事先把標靶點剔除，這樣就可以對三維激光曲線擬合的一般性進行討論了。我們擬合出標靶點的坐標并和標靶點實測值對比，如表3。
計算的出擬合精度中誤差為m=0.001377。
這樣，我們在擬合的曲線y=f（x），x每間隔100mm取一個變形點，這樣就可以得到線上每一個點的變形，達到我們研究被監測對象上面任何一點變形信息的研究目的。變形結果如表4。
4結語
綜上所述，三維激光掃描儀的變形監測與傳統的變形監測相比有很大的不同，主要體現在監測儀器、數據獲取方式和數據分析的方法等方面。本文通過探討地面三維激光掃描儀的變形精度研究工作，提出了利用三次樣條插值來解決三維激光掃描變形監測中非標靶點的點變形數據處理，其結果可靠，相信在往后的變形監測中會有更為廣闊的應用前景。
參考文獻
關鍵詞：三維激光掃描儀；控制測量；標靶測量；
文物作為一個國家、一個民族文明程度的有效載體，代表著這個國家的歷史和底蘊，顯示著這個民族的淵源和風采，文物保護工作對兩個文明建設有著十分重要的意義和作用。天龍山石窟是全國重點文物保護單位,是列入世界文化遺產保護名錄的國寶。
天龍山佛像實體與三維模型
1 控制網的布設方案
本次天龍山石窟三維激光掃描項目,目的是利用激光三維掃描技術對天龍山石窟進行數字化，實現其再現、保護和仿制，具有重要的社會和經濟意義。由于掃描之前沒有現成的高等級的控制點可用，因此我們需要首先對天龍山石窟作整體控制測量，以服務后邊的標靶點測量。整個控制測量分兩部分，平面控制和高程控制。平面控制擬采用城市一級導線測量，高程控制擬采用二等水準測量。
2三維激光掃描儀的特點及原理
三維激光影像掃描儀是一種集成多種高新技術的影像掃描測量系統。主要包括激光測量系統、激光掃描儀、可便攜三角架、線纜、便攜電腦及控制裝置、定標球及標尺、測控軟件、信息后處理軟件等，同時也集成CCD數字攝影和儀器內部校正等系統。三維激光掃瞄儀是內含掃瞄棱鏡的快速激光測距儀，可以快速方便準確地獲取近距離靜態物體的空間三維模型，以及對模型進行進一步的分析和數據處理。它不需反射棱鏡即可精確測得掃瞄點的三維坐標，其掃瞄速度目前可達數萬點/秒。其主要優點有：非接觸式主動測量，可操作空間小，便于架設。不需要可見光源，所以在黑暗中也可進行測量，這種特點對坑道或自然洞穴的測量非常有幫助；在有可見光源時，可同時獲取被測點的色彩值，形成三維影像，可方便建立虛擬實境。三維激光影像掃描儀的核心技術有兩個：其一是空間點陣掃描技術，其二是激光無反射棱鏡長距離快速測距技術。
三維激光掃描儀的工作過程實際上就是一個不斷重復的數據采集和處理過程。它通過具有一定分辨率的空間點坐標x y z 其坐標系是一個與掃描儀設置位置和掃描儀姿態有關的儀器坐標系所組成的點云圖來表達系統對目標物體表面的采樣結果。三維激光掃描儀所得到的原始觀測數據主要是： (1)激光束的水平方向值和豎直方向值(2)儀器到掃描點的距離值(3)掃描點的反射強度等。
前兩種數據用來計算掃描點的三維坐標值的,反射強度則用來給反射點匹配顏色脈沖。
3求解三維坐標原理
非接觸式三維數據獲取方法按其測量原理的不同，大致分為光學測量、超聲波測量，電磁波測量等。其中，超聲波測量和電磁波測量在醫學應用中比較廣泛，在空間信息科學領域里，光學測量方法應用最普遍且一般采用激光作為光源。本文研究的主體就是三維激光掃描儀。激光三維數字化儀利用某種與物體表面發生相互作用的物理現象來獲取其三維信息。
原理：基于脈沖飛行時間測距。此類三維激光掃描儀利用激光脈沖發射器周期地驅動一激光二極管向物體發射近紅外波長的激光束，然后由接收器接收目標表面后向反射信號,產生一接收信號，利用一穩定的石英時鐘對發射與接收時間差作計數，又光的速度是常量，所以可測得被測目標至掃描中心的距離S，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。激光掃描系統一般使用儀器自己定義的坐標系統：X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直(如圖1所示)。內部伺服馬達系統精密控制多面反射棱鏡的轉動，使脈沖激光束沿X、Y兩個方向快速掃描,實現高精度的小角度掃描間隔、大范圍掃描幅度。通過一個線元素和兩個角元素計算空間點位的X、Y、Z坐標，空間點坐標的計算公式如下：
4 標靶的布設方案及實施
掃描儀標靶是一種掃描儀配套的能精確識別其中心的像豎著的乒乓球拍形狀的標靶，分為底座和標靶面兩部分，標靶面可以繞著標靶中心旋轉。標靶點作為轉換坐標和控制誤差的控制點，一般要分布均勻，保證有足夠的密度，能控制整個建筑而且易于掃描和短期保留。在布設時需要根據實際需求，針對需要掃描的目標確定標靶的個數和位置。為了方便標靶辨認，我們對所測標靶點統一編上號，這樣每個標靶都有自己的編號，這樣掃描完內業處理時就不會認錯標靶。
水平角觀測：在角度測量中，為了消除視準軸誤差、水平軸傾斜誤差、照準部轉動時的彈性帶動誤差等儀器誤差，需要用盤左和盤右兩個位置進行觀測。為了有效減弱各種誤差影響，保證觀測果的必要精度，水平角觀測采用全圓方向觀測法。測量時，由于標靶距離一般都比較短，所以為了減少照準誤差，我們在后視點上豎上一枚大頭針，這樣就大大減少了后視的照準誤差。
豎直角觀測：用十字絲橫絲橫切目標于某一位置，豎直角觀測有兩種方法：中絲法和三絲法，我們用的是中絲法，即只用十字絲的中絲瞄準目標。在測站上安置儀器，對中、整平量取儀器高，測水平角的同時測量豎直角。
距離和高差測量：在瞄準目標后，測出測站到標靶點中心的水平距離，并且按三角高程測量計算出測站和標靶中心間的高差，顯示到全站儀屏幕上。
結束語：
三維激光掃描儀最大的特點就是能建立高清晰的三維數字模型，不僅能對古跡當時的真實面貌進行再現，而且可將掃描數據直接轉換成CAD數據資料。這就很好地解決了長久以來文物古跡保護的難題：沒有用于維護和翻新的古跡的CAD數字資料。模型建立后，可對物體上的任意點、尺寸進行量測量，通過掃描的精度比較可以看出，用三維激光掃描儀掃描的數據結果可以非常精確地測出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替傳統的測量方法。與傳統的古建測量相比，三維激光測量能在不損傷建筑物的條件下，快速采集建筑物外部表面的精確數據，節省了大量的人力物力，可以做到花最合理的價格，最大效率地完成所需的工作。
參考文獻
[1]《城市測量規范》，（GBCJJ 8―99）
[2]《工程測量規范》，（GB50026―93）
[3]《控制測量學》，孔祥元等編著，武漢大學出版社，2001
[4]《控制測量學》，楊國清等編著，黃河水利出版社，2005
[5]《測量學》，陸國勝等編著，測繪出版社，2002
關鍵詞：三維激光掃描儀 數字城市三維模型應用
Abstract: In this paper, through the use of three-dimensional laser scanner to obtain building geometry data, to build a the digital city three-dimensional model method research, preliminary tests showed that the method can be applied to the field of three-dimensional modeling of the Digital City, is a three-dimensional model to build a digital citymore advanced means of a technique.Keywords: three-dimensional laser scanner; digital city three-dimensional model; application;
中圖分類號：O343.2 文獻標識碼：A 文章編號：
0 引言
“數字城市”是以信息技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類三維描述的系統。數字城市以地理空間框架為基準，集成城市自然、社會、經濟、人文、環境等綜合信息，基于網絡基礎設施實現城市信息的廣泛共享。數字城市代表了城市信息化的發展方向，是推動整個國家信息化的重要手段。國家測繪局于2006年啟動了“數字城市建設示范工程”項目，在全國選擇若干具備條件的城市作為試點，開展數字城市地理空間框架建設，并在最近幾年內在市、縣兩級逐漸推廣。在數字城市地理空間框架中構建三維模型，有助于提高城市的綜合管理水平，提升城市的形象，在城建、規劃、旅游、國土、消防等眾多領域發揮了積極作用。如何快速準確的獲取構建三維模型所需要的空間幾何數據，一直是困擾人們的一個問題，也是國內外研究的重點和熱點之一。三維激光掃描儀的出現和在工程領域的廣泛應用,在這個方面實現了較大的突破和改進。三維激光掃描儀能夠快速準確的獲得建筑物的高程和立面數據，對于構建精準的三維模型發揮了重要的作用。
1 三維激光掃描儀測量原理
三維激光掃描儀的工作過程是一個不斷重復的數據采集和處理過程，它采用儀器坐標系下的三維空間點組成的點云圖來表達對目標物體采樣的結果。三維激光掃描系統通過內置伺服驅動馬達系統精密控制多面反射棱鏡的轉動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測量掃描儀到目標點的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計算激光腳點的三維坐標。同時，彩色CCD相機拍攝被測物體的彩色照片，記錄物體的顏色信息，采用貼圖技術將所攝取的物體的顏色信息匹配到各個被測點上，得到物體的彩色三維信息。
2 利用三維激光掃描儀構建三維模型的工作流程
利用三維激光掃描儀獲取建筑物的空間幾何數據，進行數字城市三維模型建設的工作流程主要包括：外業掃描、數據拼接、特征線提取、3D建模、格式轉換幾個部分。
2.1 外業掃描
首先根據掃描目標的位置、大小和復雜程度設計出各掃描站和控制標靶的位置，通常一個目標點需要多個測站才能完成。可以根據當地的GPS控制點的點位，通過全站儀進行測量定向，從而確定三維掃描儀掃描數據的坐標參考。一般采用連接點測量的方法進行掃描，連接點測量法具有高效和精確的特點，站與站的連接精度可達1毫米，適用于測量范圍在300 米之內的區域。
外業測量過程中，待測對象和標靶是分開進行掃描和測量的。首選在一個測站位置上選定測量區域，指定測量距離與間距，進行自動掃描。然后選擇測量標靶命令，照準標靶位置，記錄點位。要保證三個標靶點位在下一測站中可見，從而保證可將掃描數據依次拼接。在掃描過程中，啟用三維掃描儀的自動拍照功能，在形成點云數據的同時，采集到掃描目標的紋理照片。
2.2 數據拼接
將外業的掃描數據導入到電腦的Cyclone軟件中，軟件可自動識別點云、圖像和標靶點，并分站放置在對應的目錄樹下。采用連接點拼接，只需依次選中對應的兩站中的三個標靶點，軟件系統可自動進行拼接。選擇全部點云數據，合并到一個工作場景中。在此基礎上進行刪除噪聲點、非測量區域點，并把導入的圖像的顏色分別賦予對應的點云等處理。
2.3 特征線提取
為了方便特征線的提取，通常需要將建筑物的坐標改成正南正北狀態。首先框選樓房正立面墻體上一塊點云，將框內的點云擬合成mesh網格平面，在生成的mesh面片上任意選擇一點，點取更改坐標命令，就可將建筑物糾正為正南正北方向。將點云數據統一化后導入到AutoCAD軟件中，利用Cyclone軟件的cloudworx插件打開點云數據，根據點云的形狀，描繪出特征線。在提取特征線的過程中，為了避免背面的點云對描線產生影響，可以使用點云切片的功能。在描線的過程中還可以使用刷新點云的功能使點云的輪廓更加清晰。
圖1 坐標糾正之前狀態 圖2坐標糾正之后狀態
圖3根據點云提取模型的特征線
2.4 3D建模
將特征線文件導入3DMAX軟件中，作為底圖或立面高程數據的參考，進行三維建模和紋理貼圖工作。利用3DMAX軟件的拉伸、擠出、旋轉、變形等命令進行模型，將數碼相機實地采集的紋理照片或三維掃描儀拍攝的照片修飾成貼圖紋理，并將紋理指定給選定對象上，完成三維建模工作。構建模型時應遵循真實性、美觀性、代表性三個原則。
圖4 特征線導入到3DMAX中建模圖5 建成的三維模型
2.5 格式轉換
現在的數字城市地理空間框架建設多是以NEWMAP軟件作為平臺的。該軟件對導入的三維模型的格式是有要求的。一般要求數據格式為*.x格式(DirectX的壓縮格式) ，模型能用微軟的Directx viewer工具打開，且不缺失紋理，模型的面應盡量少。模型中用到的紋理圖片應為dds(DXT3)格式，紋理尺寸采用MIP MAP 模式 (即2的n次冪 ×2的m次冪)。所以要將3D模型通過轉換工具轉換成上述要求的標準格式，才能導入到數字城市地理空間框架平臺中。
3 結束語
本文通過對利用三維激光掃描儀掃描構建三維模型方法的研究，分析了三維激光掃描儀的工作原理，探索了構建三維模型的基本的工作流程，初步試驗表明了該方法可以應用于城市建筑物的三維建模，是構建數字城市三維模型的較為先進的技術手段。另外，龐大的點云數據，如何管理和處理海量數據，并保證數據在處理過程中精度不受損失是需要進一步解決的問題。獲取的三維點云數據如何能夠自動擬合形成實體模型或自動提取出特征線，是三維掃描儀在軟件處理方面亟待解決的內容，也是下一步研究的重點和難點問題。
參考參考文獻
[1]范海英，楊倫．三維激光掃描系統的工程應用研究[J]．礦山測量，2004，(3)．
[2]張立明．AutoCAD2002精彩創意實例講解[M]．海洋出版社，2002年．
[3]范海英，李暢．Cyra三維激光掃描點云數據在AutoCAD中的處理方法研究[J]．遼寧科技學院學報，2007，(3)
[4]王彬華．AutoCAD2002中文版實例教程[M]．電子科技大學出版社，2002年文獻
關鍵詞：三維激光掃描技術；應用原理；數據處理；建筑物測量；數據建模 文獻標識碼：A
中圖分類號：TP274 文章編號：1009-2374（2017）05-0172-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.05.083
近年來，在各種技術的支撐之下，激光掃描技術也獲得了新的發展，三維激光掃描技術也應運而生。該技術的優勢鮮明，能夠進行各種復雜物體的掃描，并能夠克服各種復雜環境的限制。由于其典型的優勢特征，目前三維激光掃描技術已經被應用于工程測量、地圖測井、加工檢測等多種測量工作中。三維激光掃描技術能夠對建筑物的三維信息進行快速掃描，并構建出合理的三維建筑模型，這為后續建模過程中的數據處理提供了豐富的資源。下面，筆者將對建筑物測量中三維激光掃描技術的應用進行深入分析。
1 三維激光掃描技術的應用原理介紹
三維激光掃描技術是新近才發展起來的，具有諸多優勢，必然會在很多領域得到廣泛的應用。三維建模方法通常有兩種：第一，基于圖像的方法；第二，基于幾何的方法。前者是通過照片或者圖片來建立模型的，大部分數據都來源于數碼相機；而基于幾何的方法則是通過激光掃描儀掃描所獲得的數據來建立合理的三維模型，是利用幾何信息進行建模的。三維激光掃描儀的類型多樣，依據不同的掃描平臺劃分，有地面型激光掃描系統、便攜式激光掃描系統以及機載激光掃描系統之分。而按照距離來分，三維激光掃描儀可以分為：長距離激光掃描儀，掃描距離在30米以上，該類儀器主要用于建筑物、礦山、大壩等的測量過程；中距離激光掃描儀的最長掃描距離小于30米，多用于室內空間及大型模具的測量過程；短距離激光掃描儀，最長的掃描距離不會超過3米，而最佳的掃描距離在1.2米左右，多用于小型模具的測量，掃描的速度快且精度高。航空激光掃描儀的最長掃描距離大都在1000米以上，需要配備精確的導航定位系統，適用于大范圍地形的掃描測量工作。
三維激光掃描技術的主要作用對象是高速三維掃描儀，該設備充分運用激光掃描技術便可以在短短幾分鐘之內產生詳細的三維圖像。由于擁有觸摸操作屏，激光掃描儀能夠靈活地進行掃描，獲得完善的掃描參數。從構造方面來說，三維激光掃描儀中配有一臺高速精確的激光測距儀、可以均勻角度掃描的發射棱鏡和數碼相機，能夠直接獲得物體的整體影像，并完成對物體的全方位掃描。掃描完成之后，設備會對相關信息進行數據處理，從而獲得目標表面的點云數據。從原始數據方面來說，三維激光掃描儀可以掃描到三類數據：掃描儀通過變動鏡子的角度反射不同的脈沖激光；根據三維激光掃描儀器激光傳播時間的不同，設定具體的位置，之后利用激光束的垂直及水平方向角得到儀器相對于掃描電的空間坐標。當然，這個坐標信息也是相對的。由于三維激光掃描的反射強度不同得到的數據不同。工作人員可以利用三維激光掃描儀的掃描點不同的反射強度匹配不同的色彩，并以此計算出某個點的三維坐標，并用（x，y，z，反射強度）來表示。由上述三數據可以看出，三維激光掃描儀技術的應用過程也就是數據信息與處理的過程，并形成空間坐標明確掃描物體與掃描點的具體方向關系。總之，要保證掃描數據準確、可靠，就要選擇相應類型的掃描儀，并保證該儀器在標準范圍內使用；要明確掃描對象的典型特征，明確需要通過掃描獲得的數據信息，從而合理應用激光掃描儀。
2 建筑物測量中三維激光掃描技術的數據處理
正如上文所提到的，三維激光掃描技術的處理過程實際上是數據處理的過程。通過這個過程，目標位的數字模型也就建立起來。三維激光掃描技術的數據處理工作主要通過兩個步驟進行：掃描數據的預處理和最終產品。下面筆者將對三維激光掃描儀的掃描數據的預處理和最終產品形成這兩個環節進行深入介紹：
掃描數據的預處理工作內容相對寬泛，包括地理參考、坐標糾正、數據分割以及數據濾波等多個方面，也是直接在點云層面上進行操作。第一，地理參考的過程就是將三維激光掃描儀坐標下的云數據轉換到不同的點云子集中，從而形成不同的曲面形式；第二，坐標糾正就是在三維激光掃描技術的掃描區域內設置不同的控制點，而同一區域內會包含多個同名的控制點。這些同名控制點就可以將不同的位置掃描到同一個坐標下；第三，數據濾波是濾出數據噪點，保持數據的“純
凈度”。
就目前來說，要發揮三維激光掃描儀的功能，就要合理充分應用各個控制軟件，利用先進的數據處理技術。控制軟件的主要作用是幫助掃描儀采集數據，并及時地給予相應處理，而各種處理技術則是由第三方廠商提供，主要是進行后續數據處理。得到數據之后，就要進行數據建模，而點云數據處理是其中最重要的部分。點云處理主要包括四個步驟：去除噪聲；多視對齊；精簡數據；重構曲面。第一，去除噪聲就是指去除點云數據中掃描對象之外的數據，包括某些環境因素，如移動車輛等；第二，多視對齊，就是指從不同的位置和多個視角對建筑物進行多彩掃描，要在物體表面布設同名控制點，保證點云對齊的過程；第三，點云數據精簡是在不影響曲面重構和精度的情況下精簡數據，可以根據距離精簡，也可以平均精簡；第四，曲面重構就是將掃描儀獲得的數據信息用曲面表現出來，從而將掃描對象的真實情況盡可能還原，如三角形網格、參數曲面等。通過以上步驟，點云數據的處理基本完成。綜上所述，數據處理是三維激光掃描技術應用中的關鍵部分，需要先進行數據預處理，最后才能形成點云數據。
3 建筑物測量中三維激光掃描技術的應用
3.1 控制網的布設
三維激光掃描技術在建筑物建模測量中的應用中最關鍵的內容就是布設觀測控制網。要嚴格按照三維激光掃描儀的掃描要求，選擇合理的控制網布設方法，合理布設各個控制網的位置：第一，從精度上來說，控制網的精度不得低于建筑物建模的精度；第二，從網型上來說，控制網的形狀必須合理，從而保證掃描儀能獲得完整的數據信息；第三，從相鄰控制點的架設要求方面來說，要保證控制點的通視良好，保證掃描過程順利進行；第四，從距離方面來說，控制點與被測物體之間應保持50米之內的距離，從而保證檢測精度。總之，在控制網布設的過程中，要努力遵循以上原則。而根據建筑物形狀的不同，我們可以采用不同的控制網布設方案，目前來說，方案共有兩種：第一，四面控制網布設法。該種方法適用于建筑物的長寬較大的情況，可以很好地對整面墻體進行掃描。工作人員可以在建筑物的四個角上設置控制點，使得兩面墻體都能夠被掃描到。多個角度掃描，同一個墻體就會被掃描多次，點云密度增加。這樣一來，建筑物建模的精確度也會大大提高[如圖1（a）]；第二，當建筑物的長寬相對較小時，就可以采用圖1（b）布設方案。該種布設方案的掃描效果更為理想，并且能夠大大節省檢測時間，提高工作效率。
被測物體的夾角與掃描點精度之間存在密切關系，這也是長期工作實踐的結果。如果夾角越小，精度越高。而通過上述兩種方案，我們可以知道，定向邊與被測墻體的夾角基本上都在45度之內，掃描點的精度還是相當高的。完成控網布設之后，工作人員可以采用較高精度的全站儀來測量建筑物的坐標，從而獲得相應數據。如果控制點的距離較遠時，就要在兩個控制點之間增加一個控制點，使得測量的精確度進一步提高。
3.2 三維激光掃描的觀測方法
要保證三維激光掃描儀的掃描效果，工作人員要做好以下四個方面的工作：第一，先選定一個控制點，然后在這個控制點上架設激光掃描儀。掃描儀要確保對中整平，并用各種數據線連接起來；第二，要將相鄰控制點的距離設定在100米之內，50米左右最為合理，并保證標靶整平對齊；第三，要開啟激光掃描儀的控制性軟件，然后對準標靶進行認真掃描，掃描完成獲得定向邊的相關三維數據；之后，再次進行掃描，明確建筑物的點云數據；要重復掃描，確保數據精確合理；第四，要檢查建筑物點云數據是否齊全，明確是否存在遺漏或者掃描效果不好的區域。如發現問題，必須進行再次掃描，從而確保數據安全可靠。在數據采集結束之后，就要將測得的數據轉入業內數據進行處理。要保證采集到的數據合理，就要合理設置三維激光掃描儀的相應參數，避免影響掃描結果。總之，在技術應用過程中，工作人員要注意協調各方面的因素，數據掃描、分析以及建模工作等。
總之，建筑物測量中三維激光掃描技術的應用是一個相對復雜的過程，需要進行控制網的布設、需要采用合理的觀測方法。工作人員要從建筑物的實際情況出發，合理應用三維激光掃描技術，確保掃描的精確度。
4 結語
三維激光掃描技術可以快速掃描被測物體，不需要反射棱鏡便可以獲得高精度的掃描點數據，在我國城市規劃、土木工程、工業測量等領域應用較多。同時，三維激光掃描儀在復雜地形地貌的建筑物建模方面優勢明顯，具有廣泛的發展前景。由于各種主客觀限制性因素的影響，我國建筑物測量中三維激光掃描儀器的應用還存在很多不完善之處。未來相關工作人員應該加快研究工作，努力拓寬三維激光掃描技術的應用范圍，提升技術的使用效率及效果。
參考文獻
[1] 查燕萍，龍北平.三維激光掃描技術在萬壽宮古建筑群測量中的應用[J].江西煤炭科技，2015，（7）.
[2] 高秋玲.三維激光掃描技術在異形建筑房產測量中的應用[J].建筑工程技術與設計，2016，（9）.
[3] 黃承亮，向娟.三維激光掃描技術應用于建筑物建模的y量方法研究[J].城市勘測，2011，（11）.
[4] 陳玉婷.三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用[J].建筑工程技術與設計，2016，（8）.
關鍵詞：三維激光掃描
Abstract: The three-dimensional laser scanning technology is the field of surveying and mapping, following the GPS after another revolutionary technological innovation to overcome the deficiencies of traditional surveying and mapping technology and equipment, freed of the heavy field work, a field data collection, can be made into a variety kind of geographic information products. After ten years of development, the three-dimensional laser scanning technology, such as topographic survey, road surveying, bridge measurements, earthwork engineering, architectural design, ancient architecture, measurement and protection of cultural relics, large-scale construction monitoring, disaster monitoring, a very good application.
Keywords: 3D laser scanning
中圖分類號： O348 文獻標識碼： A 文章編號：
0引言
三維激光掃描技術被稱為“實景復制技術”始于上個世紀九十年代中期，它的出現是繼GPS技術之后測繪領域的又一次新的技術革命，三維激光掃描技術是根據全站儀的基本工作原理，記錄點的三維點云數據（X、Y、Z坐標），在全站儀的基礎上加上伺服馬達轉動儀器來自動完成水平方向和垂直方向的掃描，從而完成水平方向360度和一定垂直方向的全方位的點云數據的采集。
1三維激光掃描儀的基本工作原理
目前，生產三維激光掃描儀的公司有很多，典型的有瑞士的Leica公司、美國的3D DIGITAL公司和Polhemus公司、奧地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、瑞典的TopEye公司、法國的MENSI公司、日本的Minolta公司、澳大利亞的I-SITE公司。它們各自的產品在測距精度、測距范圍、數據采樣率、最小點間距、模型化點定位精度、激光點大小、掃描視場、激光等級、激光波長等指標會有所不同，但它們的基本工作作原理是一致的。
基本工作原理 三維坐標計算公式
2 Lieca三維激光掃描儀的發展
從1998年全球第一臺商用三維激光掃描儀開始，徠卡測量系統的HDS掃描儀產品已經更新換代了六代。速度從最初的100點/秒提升到目前的100萬點/秒。目前Lieca三維激光掃描系統最新的硬件產品有：滿足不同測量需求的三維激光掃描系統Scanstation C5、高效一體化三維激光掃描儀Scanstation C10 、超高速三維激光掃描儀HDS6200以及超長測程型三維激光掃描儀HDS8800。
Lieca最新三維激光掃描儀性能對比表
3 Lieca Scanstation C10三維激光掃描儀的特點
Leica ScanStaion C10是ScanStaion2的升級產品，是通過收購美國的Cyra公司后的第三代升級產品，是一款全站儀式的掃描儀。All-in-One“一體化設計”是C10的最大特點，它把所有的關鍵部件都集成在一個便攜的測量儀器中。C10具有全視場角、高速、高精度、長距離等特點，可以滿足最常見的測繪任務；具有豐富的圖形控制界面和強大的相機/攝像頭功能，大大提高了作業人員的可操作性和便利性；內置了80G硬盤，可以滿足每天的數據量存儲；裝有2塊熱插拔的電池，2塊電池可以同時使用也可以拆下1塊單獨使用；安裝了雙軸傾斜補償器，可以在±5′的范圍自動補償，補償精度達到，安裝了激光對中器，可以大大減少儀器對中整平和遷站的時間，提高了工作效率。
4 Lieca Scanstation C10三維激光掃描儀的應用
4.1 工程項目的監測
以往在地質災害監測、大型建構筑物的變形監測中，采用傳統的測量方法或GPS測量法，往往需要在監測物表面上人工選擇一些觀測特征點，在上面設置標志或設置棱鏡或設置儀器，考慮到成本或條件限制，所以不可能設置很多的特征點。如果監測的特征點選擇不同，能夠反映監測對象變形的能力就完全不同，所以對選擇特征點的技術人員有較高的要求，但有些情況下，如高危的邊坡、泥石流地區，人工是不能到達現場的，要如實的反映這些地區的變形，使用傳統的測量方法或GPS測量法是不可能完成的任務。但是如采用三維激光掃描技術，就可以很輕松地完成這類任務，三維激光掃描是主動式測量，不用接觸被監測物體，不需要在被監測對象上設置監測標志，Lieca Scanstation C10三維激光掃描儀可以在300米的地方設站，把整個監測的對象以點云的方式全部記錄下，包括每個細微的特征點。Lieca Scanstation C10掃描速率最高達到5萬點每秒，根據不同的設置模式，最多需要十幾分鐘就可以全方位掃描一個站，大大減少了工作人員在危險現場的時間。接下來的工作就是在室內利用Lieca隨機的Cyclone軟件，對點云數據進行處理，建成三維模型，再把新測的三維模型與以往建立的模型進行對比，可以直觀求出每個細微特征點的變形情況。
4.2 歷史文物古址的保護
歷史文物古址是人類進程的腳印，是人類文明的象征，但由于自然災害、人類的破壞，所以這些文物古址是不可再生和和永久長存的，怎么永久地記錄下這些歷史文物古址，使它們流傳后世，長期以來一直困擾著考古界和文物界。以前對歷史文物古址記錄采用尺子丈量加素描、拓印等，由于歷史文物古址的造型奇特、不規則、細節豐富等特點，所以傳統的方法不能詳盡和精確地記錄，采用直接接觸式丈量和拓印還不利于和不便于歷史文物古址的保護。后來雖然采用了攝影攝像技術，可以詳盡地記錄下歷史文物古址的形狀，但是還是不能解決精確的尺寸問題。現在三維激光掃描技術的出現，克服了以前的諸多問題，實現了非接觸、高精度、高密度、真三維、全息影像融合記錄下了歷史文物古址的全部細節。為歷史文物古址的保護、修護、研究、再造提供了最全面的精確的數據。
4.3 虛擬三維環境
虛擬現實、虛擬漫游、虛擬三維展示、三維仿真等都要使用到高分辨率的3D建模技術，可以使人身臨其境地在三維環境中漫游，無論在世界任何角落，只需輕點鼠標就能足不出戶免費“游覽”。目前的虛擬三維環境，并不是真正的三維，一般采用的是2.5維。主要是因為基礎數據采集困難，現在三維激光掃描技術的出現，就可以很方便地解決這個問題。
5 結論
[關鍵字] 三維激光 掃描技術 誤差 影響因素
[中圖分類號]P24[文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2013）-1-276-10引言
三維激光掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術的新突破。它以高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。能夠快速、大量的采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。具有快速性，不接觸性，穿透性，動態、實時、主動性，高精度、高密度，自動化、數字化等特性。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢.三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型。
1 三維激光掃描儀的測量原理
三維激光掃描儀是在激光的相干性、方向性、單色性和高亮度等特性基礎上，同時注重操作簡便和測量速度，從而保證測量的綜合精度，測量原理主要為有測距、掃描、測角、定向四方面。
應用掃瞄技術來測量工件尺寸及形狀等原理來工作。主要應用于逆向工程，負責曲面抄數，工件三維測量，針對現有三維實物在無技術文檔情況下，可快速測得物體輪廓集合數據，加以建構，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數字化模型。
2 快速掃描技術特點
快速掃描是掃描儀誕生的概念，常規測量中，對每一點測量花費時間在2-5秒，而有時對一點的坐標進行測量更達到幾分鐘的時間，當下對于此測量速度已經十分落后了，而改變了這一現狀的正是由于三維激光掃描儀的誕生，脈沖掃描儀（scanstation2）最快速度可達到每秒50000點，而相位式掃描儀Surphaser最高速度已超120萬點每秒，這種掃描技術是對物體詳細描述的基本保證，深入測量的領域包括古文體，工廠管道，隧道，地形等。
無臂式手持3D掃描系統和雙攝像頭傳感器形成了一個獨特的組合，確保在實驗室和工作場所能生成最精確的測量值。這一完備且功能強大的檢測方案提高了測量過程的可靠性、速度和多功能性。在鉸接臂方面與其他3D掃描儀相比較，光學3D掃描系統可以完全自由移動，顯著提高了工作效率和質量。
3 關于徑向三維激光掃描儀的測量誤差分析
通過公式改正或修正系統予以消除或減小測量系統的偶然性誤差是一些隨機性誤差的綜合體現。由誤差理論來分析，徑向掃描系統測量誤差分為偶然誤差、系統誤差以及系統誤差引起三維激光掃描點的坐標偏差。
影響三維激光腳點測量誤差的因素比較多，總的來說有儀器誤差、外界環境條件、與目標物體反射面有關的誤差這三類。儀器本身性能缺陷造成的測量誤差是儀器誤差，包括激光測距的誤差、掃描角度測量的誤差；溫度、氣壓等是影響外界環境條件主要因素；而目標物體反射面傾斜的影響和表面粗糙度的影響是對與目標物體反射面有關的誤差的主要影響因素。
3.1 關于掃描角測量的誤差。豎直掃描角度以及水平掃描角度測量是影響掃描角的測量誤差。而對于掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描電機的非均勻轉動控制誤差、掃描鏡轉動的微小震動等因素是對引起掃描角度誤差的綜合反映。關于掃描角測量精度是相對高的，如徠卡的HDS2500掃描角測量精度可達±0.5″。
3.2 關于激光測距的誤差。對于激光測距信號，處理的各環節都會帶來一定程度上的誤差，測距技術中不確定間隔的缺陷引起的誤差和掃描儀脈沖計時的系統誤差是光學電子電路中激光脈沖回波信號處理時引起的主要誤差。測距的凸角誤差與脈沖計時的系統誤差造成循環、混淆現象相類似，而造成數據突變更可能是測距技術中不確定間隔的缺陷，這些突變的誤差可通過技術（如頻率倍乘、微調作用）處理。測距中的固定誤差和比例誤差是激光測距誤差綜合體現，對測距誤差的大小可運用儀器檢定來確定。
3.3 關于溫度、氣壓等外界環境條件的影響。掃描過程中風的震動、溫度變化對精密機械結構關系的細微影響、激光在空氣中傳播的方向等因素是溫度、氣壓等外界環境條件對激光掃描影響的主要體現。而對三維激光掃描數據影響較大的還有惡劣的外界環境條件。測距誤差或掃描角誤差是徑向三維激光掃描儀測量誤差的主要來源。由于測距誤差包含固定誤差和比例誤差兩部分，其影響具有一定的規律性。如HDS2500儀器的測距誤差在50m以內為6mm，超過50m 后儀器測距誤差隨距離線性增加，在200m時達到42mm。 掃描角的誤差是一種與距離有關的誤差，掃描角誤差對掃描點的影響隨距離增大而增大。
3.4 關于目標物體反射面傾斜的影響。在掃描測距系統中，激光接收器和激光發射頭兩部分組成激光測距單元。 而決定激光光束起始直徑的大小是用于激光發射和接收窗口的孔徑直徑，這直徑一般小于2cm。掃描到目標物體表面形成激光腳點光斑的原因是激光發射和接收共用一條光路，且激光光束具有一定發散角。
3.5 關于目標物體反射表面粗糙程度的影響。三維激光掃描點云的精度和物體表面粗糙程度有密切關系。首次或最后反射回來的回波信號只能被某些三維激光掃描系統處理，但也有三維激光掃描系統能綜合處理首次和最后反射回來的回波信號。這些都體現三維激光回波信號具有多值性特點。下面以處理首次反射回來激光回波信號為例（如圖1所示），目標物體表面粗糙程度引起激光腳點位置的偏差dS1 接近于物體表面粗糙極值max 的1/2。
4 結語
三維激光掃描儀的儀器設備及測量誤差的研究目前還是不夠完善，在這方面還需要相關的工作人員繼續努力去完善，從而使其測量精度進一步提高。
參考文獻
關鍵詞：三維激光掃描技術；成都二環路；測繪技術；測量應用
【分類號】：P234.4
隨著我國科學技術的不斷發展，信息技術的進步，愈加拓寬的工程測量服務領域也在不斷提高對測量技術的要求，由于地處城市主干道及城市高架的影響，全站儀、GPS測量在成都二環路改造工程竣工圖實測已經完全無法滿足業主提出的工期要求。因此，作為新技術應用探索，三維激光掃描技術應用于該工程，其不僅具有簡便、快捷、精準的應用特點，而且其獲取數據速度快，方法靈活，使工期得到了保障，受到業主的一致好評。
一.三維激光掃描技術概述
三維激光掃描技術是通過激光作為測量依據，獲取相對復雜物體的圖形與數據，在經由處理之后形成對采集數據的分析，并通過轉換成為三維坐標或三維模型，來滿足各種測量領域提出的不同需求。
（一）系統組成部分
就賓得S-3180V近景三維激光掃描儀來說，其主要的組成部分包括數碼相機、電源、后處理軟件及各種附屬設備。其自帶相機起到協助判斷的功能，如右圖一所示主機及定向靶位。
（二）工作原理
三維激光掃描技術通過內部的激光脈沖發射器功能向目標發射激光脈沖，在檢測到被測目標之后，再將目標物發射回來的激光脈沖采集到信號接收器中，通過這樣的反射、接收，來計算從激光脈沖發射出去到返回的時間，就是被掃描物體距離掃描點的距離，得到相應地物的三維點云數據；同時啟動掃描控制模塊功能，計算出其測量目標物的三維坐標，繼而轉換成為坐標系中的三維模型，得到最終的數據圖形。
（三）應用優勢
與傳統的測量技術對比，三維激光掃描技術具有精準度高、分辨率高、速度快等多種應用優勢，其特點主要表現在以下幾個方面：
1.數字化
通過三維激光掃描技術獲取到的數據信息都集體呈現出全數字的特點，非常易于分析、處理及顯示。同時其用戶界面友好，能夠很好的實現與其它軟件的數據共享與交換，比如說與GPS、外接數碼相機配合使用等等，具有很好的拓展性。
2.分辨率高
三維激光掃描技術可以很好的實現高質量、高密度的進行數據信息采集，以此來實現高分辨率的根本目的。
3.應用性強
三維激光掃描技術對于使用條件沒有高要求，因此有較強的環境適應能力，適合于野外測量，可以對大面積或者是表面復雜的物體進行精準的測量，因此在各個工程或者是道路建設等各領域中都有較為普遍的應用。
4.非接觸式
在三維激光掃描技術中，使用的是非接觸式高速激光的測量方法，因此這就在無需反射棱鏡的基礎上直接對目標物體予以掃描，并采集其相關三維信息。它的應用價值就體現于當在目標物體的位置處于較危險、惡劣的環境下，工作人員無法近身的時候。
二.三維激光掃描技術的實際應用
三維激光掃描技術目前已經在各個領域都有了較為普遍的應用，包括：文物保護；工業檢測，工廠數字化管理；建筑橋梁的測繪；地形、地質研究等等。以下就三維激光掃描技術在成都二環路竣工圖實測工程中的應用進行分析。
就成都二環路改造竣工圖實測項目中，主要使用的是賓得S-3180V近景三維激光掃描儀，實測目標為路面地物，主要包括：人行道及廣場各類別地磚、盲道、各類別井蓋、路燈、樹池、標志標牌、休息座椅等等。其后期主要應用的技術是將多站分塊掃描進行無縫拼接，以此來將整體的掃描對象以幾何形態表現出來。首先根據相鄰掃描站所掃描的四到六個共有定向靶位，根據后方交會建站工作模式，采用系統自帶平差軟件計算各掃描站的三維信息，最終實現多個掃描站之間圖形的無縫拼接，以此來實現對整體帶狀地形地物數據的收集。
（一）三維激光掃描技術的應用優勢分析
就成都二環路來說，由于受到二環高架及周邊高層房屋的影響，因此無法使用GPS，只能使用全站儀進行測量，但是在實施過程中全站儀的測量速度非常慢，一般一臺全站儀每天僅能測量300m左右，加之二環路的車流、人流量非常大，對工作人員會產生一些潛在的安全隱患。
相反，就三維激光掃描儀來說，其具有速度快而且省去人工操作的環節，可以將其直接架設在中間綠化帶中，3-6分鐘的測量時間就可以測量完一跨橋兩側的地物，在一天8小時的時間內可以測量1.5km左右。
（二）地物實測應用
1.井蓋
三維激光掃描及時通過對井蓋獲取密度、精度較高的三維數據，對井蓋的形態及特點進行監測反映，井蓋原始地物如圖二所示，其經過三維激光掃描儀之后的圖形顯示如圖三所示。
2. 雨污排水口、路沿石
當然，這只是在成都二環路竣工圖實測地物的一部分應用，上述例舉了兩個地物特征，三維激光掃描技術就是通過對地物特征的形象進行掃描，并依據各個坐標形成三維坐標，繼而根據地物特征提取其特征線，如下圖所示：
經CAD軟件繪制之后直接得到成都二環路如下的數據圖：
在整個測繪過程中，對立體點位定位及立面測量三維激光掃描的精度和圖像分辨處理效果不錯，能夠達到三維建模的各項指標要求，但對地面的物體定性上還必須得根據初步成果圖進行現場確認，以確定各類井蓋特性。
結束語
隨著我國科學技術的不斷發展，三維激光掃描儀的測量精準度也愈來愈高，測量范圍也有了極大的拓展，目前三維激光掃描技術已經可以很好的應用到精準要求極高的道路工程測量等領域，其作為一種發展迅速的測量技術，在應用領域中不僅降低了測量成本，同時還能極大的提高工作效率。雖然說目前針對三維激光掃描技術的研究還是處在初級階段，但隨著研究的深入，與其他測量技術的有效結合，相信三維激光掃描技術必將得到更廣泛的應用。
參考文獻：
[1]馬利，白建軍，白文斌，謝孔振.地面三維激光掃描技術在道路工程測繪中的應用[J].北京測繪.2011（02）.
[2]張毅，閆利，崔晨風.地面三維激光掃描技術在公路建模中的應用[J].測繪科學.2008（05）.
關鍵詞： 攝影測量，三維激光掃描，三維定位，測量精度
Abstract: This paper described the photographic measurement principle in the three-dimensional laser scanning system, and its principles and techniques are briefly described. Then the paper focused on the three-dimensional laser scanning system in the spatial data access and protection of ancient buildings and the application of theory, briefly analyzed the key technologies.
Keywords: photogrammetry, three-dimensional laser scanning, three-dimensional positioning, measurement accuracy
中圖分類號：E933.43文獻標識碼：A
1 引言
近年來，以激光陣列距離掃描儀(Laser Range Scanner ，又稱為激光雷達) 為代表的高新技術將在多等級三維空間目標的實時獲取方面產生重大突破。其中，機/星載系統結合其他定位（如INS ，GPS）及遙感等高新技術，可進行大范圍數字地表模型（digital surface model，DSM）的高精度實時獲取。這種系統可部分穿越樹林遮擋，直接獲取真實地表的高精度三維信息，這是傳統的攝影測量方法無法取代的。其中，地面車載或移動系統可用于城市道路、堤壩、隧道及大型建筑物等復雜三維空間目標的實時監測與模型化，是建立三維城市GIS 最迫切需要的技術之一[1]。
在空間數據的測量中，獲取三維數據是一個重要的工作，三維測量目標包括空間精細的物件，也可以是高大的建筑物或龐雜的地形地貌等現實世界的各種形體。如何準確、有效地從實物樣件上采集復雜三維表面數據，進而能快速地變成高質量的計算機軟件中的三維數學模型目前仍然存在很大的障礙。三維激光掃描技術可以應用于文物保護、城市測繪、GIS數據獲取、工程測量、地形測量等各種測量領域，可發揮較大的經濟和社會效益。
2 三維激光掃描技術原理
三維激光掃描技術屬于非接觸式測量方式，其主要特點是無需和被測物體接觸，可以在很多復雜環境下應用，并且可以和GPS 等集合起來實現更強、更多的應用。三維激光掃描測量技術是迅速發展起來的一項高新技術，西方發達國家已將這一先進技術用于對地觀測系統和快速獲取特定目標的立體模型中。利用激光三維掃描儀對物體的表面進行掃描測量，就可以得到大量表面點的三維數據，這些數據是進行三維建模的依據。
三維激光掃描系統的工作過程是一個不斷重復的數據采集和處理過程，它采用儀器坐標系下的三維空間點組成的點云圖來表達對目標物體采樣的結果。三維激光掃描系統通過內置伺服驅動馬達系統精密控制多面反射棱鏡的轉動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測量掃描儀到目標點的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計算激光腳點的三維坐標。
脈沖激光測距的原理是：掃描儀的發射器通過激光二極管向目標發射近紅外波長的激光束。激光經目標物體的漫反射，部分反射信號被接收器接受。通過測量信號在儀器和目標物體表面的往返時間，計算儀器和點間的距離[2]。
三維激光掃描系統通過數據采集獲得測距觀測值S，激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。激光掃描三維測量一般使用儀器內部坐標系統，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖1所示。由此可得到三維激光腳點坐標的計算公式：X = S*cosθcosα，Y = S*cosθsinα，Z = S*sinθ。
圖1三維激光掃描系統測量原理
3 三維激光掃描系統的應用探討
3.1 應用工作流程
三維激光掃描系統的工作流程分為:測站設計、掃描、控制標靶中心的獲取、坐標配準、三維建模幾個部分[2]。主要介紹如下：
1．測站設計
根據掃描目標的位置、大小、形態和需要獲取的重點屬性設計各掃描站和控制標靶的位置。要求每站之間至少有三個控制標靶重合，通過控制點的強制符合，以確定兩個測站點云數據符合所需的7個自由度，使點云數據最終能夠統一到一個儀器坐標系統下。
2．掃描
在選定的測站上架設掃描儀,調整好儀器的姿態。將掃描儀和筆記本使用網線連接，打開掃描儀的電源。啟動Cy2clone軟件，建立筆記本與掃描儀的通訊，掃描過程由Cy2clone軟件控制，通過集成的數碼相機拍攝掃描對象的影像，在影像上選取掃描區域。掃描儀根據軟件環境中設置的參數（行、列數和掃描的分辨率等）自動進行掃描。
3．控制標靶中心的獲取
每測站完成掃描后，均需要對控制標靶進行精細掃描。該掃描過程通過選取控制標靶區域內的點，為每個標靶設置唯一的標識，然后通過精細掃描該區域確定控制標靶的中心點，相同的控制標靶在不同測站中的標識必須相同。
4．坐標配準
坐標配準的基本方法有三種：配對方式、全局方式和絕對方式。前兩種屬于相對方式，它是以某一掃描站的坐標系為基準，其它各站的坐標系統都轉換到該站的坐標系統下。
這兩種方式的共同表現是：在實施掃描的過程中，所設置的控制點或標靶在掃描前其坐標均未知。而第三種方式，則在掃描前，控制點的坐標值已經被測定，在處理掃描數據時，各測站都需要轉換到控制點所在的坐標系中。一般說來，前兩種方式的處理，其相鄰測站間往往需要部分重疊，而最后一種方式的處理，則不一定需要測站間的重疊。工程應用中常用的坐標配準方法為配對方式。
5．三維建模
利用Cyclone軟件提供的豐富的點云數據處理功能，通過選取、截取、圍欄選定的點云數據匹配生成面和復雜形體表面的不規則三角網（TIN），建成三維模型。
3.2 古建筑保護方面的應用
古建筑數據的準確采集和處理是進行數字化文物保護的前提和基礎，地面三維激光掃描技術能快速完成實體表面數據點的掃描測量工作，獲得大量精確、密集的三維坐標點云數據，并將這些復雜、不規則的三維數據完整地采集到電腦中，進而構建出實體表面的三維模型。點云文件能以坐標測量、切片瀏覽、表面處理和三維建模四種使用方式滿足文保研究工作的需求，在古建筑測量方面得到了越來越廣泛的應用。
根據掃描需求，確定掃描總站數和掃描儀安放位置，依據掃描方案依次完成掃描。由其掃描所得的初步資料是一群密布點云的三維坐標群，這些點云需使用后處理軟件進行拼接與去噪才能得到適用的空間信息。點云數據采集與處理以后，要對數據進行坐標轉換[6]。由于大型復雜的建筑物是以分塊多測站的形式掃描的，而每個測站掃描后所得到的影像都是在以測站為坐標原點的獨立坐標系下的圖像，所以需將所有分站掃描得到的影像歸化到同一坐標系下，從而完成各測站的獨立坐標系向統一坐標系的轉換。進行坐標轉換以后的數據，是具有精確地理坐標的點云數據模型，可以被以任意方式進行剖切表現[7,8]。點云模型還可輸出導入到傳統的計算機輔助繪圖設計軟件和GIS 軟件中，如AutoCAD、ArcGIS等。
建筑物模型重建的主要目的是恢復建筑物屋頂的每一個面片的高度、形狀、位置、方向，以及面片之間的關系。通過建筑物階躍邊緣特征和屋頂面片的檢測處理，可以基本上提供建筑物模型重建所需的元素，然后需要將這些元素組合成為建筑物模型。階躍邊緣和屋脊線提供了建筑物的線特征，但是這些特征沒有連接起來成為閉合的區域。屋頂面片提供了每一個屋頂的方向和大致的邊界，但是，對于與具有規則幾何形狀的建筑物模型的目標之間，仍然有一定的距離[9]。
古建筑物掃描所得結果需要進行處理和保存，可以建立古建筑數據庫組織和管理。該數據庫應該是空間位置信息與屬性信息的有機結合，即空間數據庫和屬性數據庫，前者由柵格數據和矢量數據組成，后者可根據文物保護工作設計，如：建筑面積、材質、位置、歷史文化信息等。
目前要解決的問題就是：如何利用這些特征線和屋頂面片的點，在保證面片之間鄰接關系的前提下，恢復出每一個面片的邊界。屋頂面片和特征線均通過自動處理獲取，雖然前文采用多種手段進行處理以提高檢測的效果，但總是或多或少地存在一定的問題，如：漏檢測、坐標偏差，以及碎片等。也就是說，已有的數據是不完備的，需要從這些不完備的數據中恢復建筑物模型。分裂合并算法是解決這類問題的一種重要而有效的方法，武漢大學的黃先鋒博士提出了利用已有的建筑物特征線，通過BSP樹進行約束對屋頂面片進行分裂合并處理的建筑物模型重建方法[10]。
4 總結
三維激光掃描技術可以快速獲得物體表面的三維坐標，對三維重建的質量有重要的意義，它的應用日益廣泛。本文在對三維激光掃描系統原理和技術介紹的基礎上，探討了該系統在空間數據獲取、古建筑物保護方面的應用，并分析了各種應用中的特點、原理和存在的主要問題。
參考文獻
[1] 李清泉, 李必軍, 陳靜. 激光雷達測量技術及其應用研究[J]. 武漢測繪科技大學學報, 2000, 25(5)
[2] 范海英. 三維激光掃描系統的應用研究[J]. 遼寧科技學院學報, 2009 2(11)：34-35
[3] 王建文，李青. 對三維激光掃描系統的研究和改進[J]. 計算機工程與設計, 2009
[4] 吳險峰. 三維激光彩色掃描儀關鍵技術研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2004
[5] Rau, J.-Y. and L.-C. Chen. Robust Reconstruction of Building Models from Three-Dimensional Line Segments[J]. PE&RS 2003, 69(2)
[6] 邢昱，范張偉，吳瑩. 基于GIS與三維激光掃描的古建筑保護研究[J]. 地理空間信息, 2009 7(1)：88-91
[7] 周波，李東輝，聶楠楠. 攝影測量中一種新的編碼點識別和提取算法. 自動化與儀器儀表. 2009 2：75-77，99
[8] 孟放. 大型三維點云數據的交互繪制研究[D]. 北京: 北京大學, 2005
關鍵詞：地形測繪 三維激光掃描技術 應用
中圖分類號：P234.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）02-0089-01
以往的地形測繪成圖是利用GPS設備、人工攜帶全站儀等儀器，采集野外有限個測點信息，經專業軟件處理后再生成圖的形式。傳統方法雖然較為穩定，但測繪人員要面對一些危險性較大的區域和難以達到的高難度邊坡位置，數據采集時間也較長，測繪人員工作強度大，稍不留神，容易導致意外事故。三維激光掃描技術改變了傳統測繪的作業流程，縮短了外業工作時間，降低了測繪人員勞動強度和難度，提高了測繪成果的質量。
1 三維激光掃描技術相關概述
1.1 三維激光掃描技術
三維激光掃描技術是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命，突破了傳統的單點測量方法，它和傳統的GPS測量方式比起來具有高效率、高精度的獨特優勢，能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，所以，一些高精度高分辨率的數字地形模型也可通過三維激光掃描技術來獲取。按照測量方式可劃分為基于三角測距原理、基于脈沖式和基于相位差三種，按用途可分為室內和室外，概括來說就是長短距離不同的原理。通常基于脈沖式的三維激光掃描技術測程都較長，最遠可達到6公里。而基于相位差原理的三維激光掃描技術測程就不如脈沖式，它的測程較短，只有百米左右。
1.2 特點
三維激光掃描具有三維掃描和快速掃描的特點。
傳統測量概念里，幾乎最終輸出的數據都是二維結果（如CAD出圖），在目前測量所使用的儀器當中全站儀、GPS占據大量的比例，然而測量出的數據都是二維形式的。但三維激光掃描技術每次測量出的數據都涵蓋大量的測量信息，如R，G，B顏色信息，X，Y，Z點的信息，甚至物體反色率的信息也能同時反應出來，是傳統測量手段無法企及的。
快速掃描是掃描儀誕生產生的概念，快速掃描的測量速度能達到每秒1000點，而常規的測量手段，每一點的測量都會浪費2～5秒不等，三維激光掃描技術的出現正好改變了此現象，提高了工作效率和質量。
1.3 工作原理
三維激光掃描技術在進行探測和測距時利用了光來獲取對象表面點的三維坐標，達到三維場景重建和提取地表信息的目的。完整的三維激光掃描系統需要有以下幾個方面共同組成：激光測距系統、高精度動態GPS差分定位系統（DGPS）和高精度動態載體姿態測量系統（INS）。它首先由激光脈沖二極管發射出激光脈沖信號并經過旋轉棱鏡射向目標，之后運用探測器接收反射回來的激光脈沖信號，記錄器將過程所產生的信號給詳細的記錄下來，最后轉換成數據信息，測繪人員通過數據信息進行識別，將信息經軟件處理后實現實體建模輸出。
1.4 數據采集與處理
點云數據是指通過3D掃描儀獲取的海量點數據，完整的三維激光掃描技術脫離不開INS數據，GPS數據和點云數據，三維激光掃描主要獲取的是離散三維點云數據，有利于將細節信息和劇烈變化的地物和地形給展現出來。點云數據反射強度信息和地表物體對激光的作用信息，為進一步點云數據處理提供參考。數據采集中很重要的一個環節就是利用點云數據進行三維建模，最后創建出的三維模型質量也受其影響。數據采集工作流程為：現場勘查――相掃――精掃反射體――對目標區域的精掃――拍攝場景照片。數據處理流程也分為三個步驟，（1）校準；為了統一相機坐標系和掃描儀坐標系，只有統一好這個坐標系后，地貼紋理才能準確。（2）消除噪點；由于一些不可抗拒的因素或測量儀器等原因，不可避免會出現噪點，會影響數據質量，所以在操作點云數據之前，先清楚噪點。（3）點云的拼接；確定統一坐標系是點云拼接的前提，可以用項目坐標系PRGS作為統一的坐標系，及時不使用全站儀也可以。
2 三維激光掃描技術在地形測繪成圖中的應用
（1）采集野外數據；考察測區周圍環境，判斷掃描儀、測站數和標靶的位置，盡量選擇少的測站，使原始的數據量有所減少，保證完整的測量區域能用各掃描占最終獲取的數據。同步獲取紋理數據和點云數據，方便后續的數據處理匹配。選擇相應的采樣進度要根據不同的比列尺寸要求，掃描采用逐站的方式。
（2）數據預處理；通常激光雷達點云數據的預處理步驟包括如圖1所示：
掃描的點云數據較為復雜，其獲取都來自不同站點，統一至一個坐標系需要對掃描后的點云數據進行正確匹配，便于建模和定量化分析目標，正確的匹配方法也有所不同，①精確地理坐標可通過GPS提供各個掃描站點，使固定的地理坐標系中涵蓋所有的點云數據，此類方法能使所有點云的真實地理位置可以準確獲得，為后期數據分析提供依據。消除地形重采樣和手工點云數據的噪聲，通常這些噪聲中包含空氣懸浮物，電線桿等。分割處理的點云，利于建模處理感興趣的目標物。
（3）地物的繪制和提取。
提取點云數據還可利用三維激光掃描技術后期處理軟件，如Gyclone軟件，地物特征點可以在點云視圖中手工提取，之后在文本文件中輸出相應的格式，如E，H，Feature等，可以直接導入測繪圖軟件來繪制地物。
3 結語
總之，三維激光掃描技術來可以彌補傳統地形測繪工作的許多不足之處，它快速、細致和高精度的特點減少了測繪人員的作業時間和強度，使測繪效率大幅度得以提高。地形測繪中，一些難以開展數據采集的高難度區域通過三維激光掃描技術可以快速順利完成數據采集工作。三維激光掃描技術的深入研究對國民經濟的可持續發展具有重大的現實意義，但是三維激光掃描技術也有外界環境條件、點云數據與目標物體反射面等不足之處，所以在使用過程中應盡可能客服上述不足之處，以便獲取高精度的測繪成果。
參考文獻
[1]孫德鴻，王占超.三維激光掃描技術在地形地質研究中的應用（二）[J].測繪通報，2011，（4）：85-86.
Abstract: This paper briefly introduces the characteristics of 3D laser scanning technology and its data processing method, summarizes the application of 3D laser scanning technology in measurement field and points out the prospect of 3D laser scanning technology.
關鍵詞： 三維激光掃描技術；點云數據；測量
Key words: 3D laser scanning technology；point cloud data；measure
中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2012）15-0209-01
0引言
三維激光掃描技術是一項迅速發展的高新技術，它的出現為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段。三維激光掃描技術主要采用激光測距原理，瞬時測得空間三維坐標值。其巨大優勢就在于可以快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數據，這樣一來可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現。目前此項技術已廣泛應用于變形監測、工程測量、地形測量、城市規劃、智能交通、防震減災等領域。
1三維激光掃描系統簡介
三維激光掃描系統按照掃描平臺的不同可以分為：機載（或星載）激光掃描系統、地面型激光掃描系統、便攜式激光掃描系統。
機載激光掃描系統是指在飛機上搭載激光雷達、數字相機和定位定姿裝置，以獲取具有影像真實感的高精度數字表面模型（DSM）和數字高程模型（DEM）的新型測繪裝備。系統通過掃描裝置，沿航線采集地面點三維數據，通過特定方程解算處理成適當的影像值，生成數據影像和地面高程模型。
地面型三維激光掃描系統是在地面利用激光掃描裝置自動、系統、快速（準實時）獲取對象表面的三維坐標的測量技術，能在幾分鐘內對所感興趣的區域建立詳盡準確的三維立體影像，能提供準確的定量分析。
便攜式激光掃描系統使得對物體進行照相測量成為可能，所謂照相測量，就是類似于照相機對視野內的物體進行照相，不同的是照相機攝取的是物體的二維圖像，而研制的測量儀獲得的是物體的三維信息。
2三維激光掃描技術的特點
作為一種新的測量手段，三維激光掃描測繪技術與傳統的測量方法相比有如下優點：①掃描速度快，地面三維激光掃描儀可在短時間內獲取空間目標的三維信息；②非接觸式工作，掃描儀發射激光束在測量目標自動反射，實現了危險目標、不可達目標的測量；③數據信息豐富，可以在進行空間三維坐標測量的同時，獲取目標表面的激光強度信號和真彩色信息，為目標的識別和分類提供了更多途徑；④主動性工作，自動發射測量信號，不需要外部光源配合，可在白天黑夜全天侯作業，提高了作業效率；⑤高精度，地面激光掃描能以高精度的方式獲取目標的表面特征；⑥高密度，激光掃描同時能以高密度的方式獲取目標表面細部特征；⑦可量測，可以直接在點云上獲取三維坐標、距離、方位角、表面法向量，還可以計算得到點云所表達目標的表面積、體積等。
3三維激光掃描技術的數據處理
利用三維激光掃描儀獲取的點云數據構建實體三維幾何模型時，不同的應用對象、不同點云數據的特性，三維激光掃描數據處理的過程和方法也不盡相同。概括地講，整個數據處理過程包括數據采集、數據預處理、幾何模型重建和模型可視化。數據采集是模型重建的前提，數據預處理為模型重建提供可靠精選的點云數據，降低模型重建的復雜度，提高模型重構的精確度和速度；數據預處理階段涉及的內容有點云數據的濾波、點云數據的平滑、點云數據的縮減、點云數據的分割、不同站點掃描數據的配準及融合等；模型重建階段涉及的內容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數據的處理、模型簡化和紋理映射等。實際應用中，應根據三維激光掃描數據的特點及建模需求，選用相應的數據處理策略和方法。
4三維激光掃描技術在測量領域的應用
三維激光掃描技術已經成為當前研究的熱點之一，并在測繪領域體現出了廣泛的應用。如夏國芳等[1]就探討了采用三維激光掃描測量技術來獲取隧道的縱橫斷面樁號里程以及高程數據的方法。他們利用三維激光掃描技術，得到了完整的隧道點云模型,等同于對隧道真實場景的數字重現，因此在數據內業處理過程中，可以通過外業獲取的點云數據靈活地繪制出隧道的橫縱斷面圖。武漢大學的王曉昳[2]則介紹了三維激光掃描技術在地籍調查中的應用，包括高精度的宗地面積的量算，生動形象的三維圖像的生成以及快速建模以輔助地籍信息系統的建設。徐進軍等[3]則將該技術引入到滑坡變形監測與分析中，通過充分利用滑坡體上的大量點自然地物作為監測點，來完整監測和分析其變形，并獲得了初步滿意的結果，表明采用三維激光掃描測量來快速建立滑坡監測系統，可以滿足臨滑預報要求。丁繼勝等則介紹了該技術在海岸帶測量、水深測量及海洋環境監測等方面的應用，并結合空載激光掃描測量技術的國內外研究現狀，對我國在該技術領域的發展給出了一定的建議。黃義敏等通過激光掃描測量技術建立了高精度的水利樞紐工程構造物三維可視化數字地面模型，可對構造物任意點、任意尺寸或角度進行量測和校驗，進行有效的測量精度分析，并給出限差報告，同時還根據工程需要生成了平面圖、縱、橫剖面圖、等高（深）線圖，計算面（體）積，進行工程放樣等。
5結束語
三維激光掃描技術作為迅速發展的測量技術，它具有傳統測量手段無可比擬的優勢，主要體現在速度快、精度高、使用方便、自動化程度高、勞動強度低、受外界環境影響小等方面，因此它的普及應用將大大降低生產成本和提高工作效率。伴隨三維激光掃描技術的不斷完善與發展，充分發掘三維激光掃描技術的在測量領域的利用價值，將會給測量學科帶來新的發展機遇，也將給廣大測量工作者創造更好的工作條件。
參考文獻：
[1]夏國芳，王晏民.三維激光掃描技術在隧道橫縱斷面測量中的應用研究.北京建筑工程學院學報，2010，26（03）.
關鍵詞：三維激光掃描；文物考古；點云；數字線劃圖；模型
中圖分類號：K85文獻標識碼：A
三維激光掃描技術概述
三維激光掃描技術又稱為“實景復制技術”，是20 世紀 90 年代中期出現的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術為核心的數據采集與處理技術，其革命性的數據采集方式開創了面式數據采集的新紀元，因其滿足了文物考古測繪領域非接觸、高速度、高密度、全數字化的數據采集要求，在短短幾年時間內迅速在考古發掘、古建筑測繪等文物保護領域得到了廣泛應用。
（一）工作原理
三維激光掃描技術，通過內部的激光脈沖發射器向目標物發射激光脈沖，反光鏡旋轉，發射出的激光脈沖掃過被測目標，信號接收器接收來自目標體反射回來的激光脈沖，通過每個激光脈沖從發出到被測物表面返回儀器所經過的時間可以獲得被目標體到掃描中心的距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標（云點），進而轉換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標或三維模型。
（二）三維激光掃描技術的特點
非接觸式
三維激光掃描技術采用非接觸式高速激光測量方式，不需反射棱鏡，直接對目標體進行掃描，采集目標體表面云點的三維坐標信息。在目標危險、環境惡劣、人員無法到達的情況下，傳統測量技術無法完成，此時三維激光掃描技術優勢明顯。
數字化程度高、擴展性強
三維激光掃描系統采集的數據為數字信號，具有全數字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進行數據交換及共享，可與外接數碼相機、GPS配合使用，拓寬其應用范圍，具有較好的擴展性。
高分辨率
三維激光掃描技術可以進行快捷、高質量、高密度的三維數據采集，從而達到高分辨率的目的。
應用廣泛、適應性強
由于其良好的技術特點，在工程建設各領域，應用廣泛。對使用條件要求不高，環境適應能力強，適合野外測量。
三維激光掃描在文物考古中的實施步驟及應用成果
（一）實施步驟
三維激光掃描作為一種獲取三維空間信息手段，其工作流程與傳統的測量手段有很多的相似之處但也有其自身的特點。主要過程和技術要點如下圖所示：
圖 三維激光掃描工作流程圖
（二）應注意的問題
1、現場踏勘時，認真分析現場地形、地物分布特點，合理設置掃描站點，盡量的避免掃描盲區的出現，重點保證重要的地形、地物不會在盲區中出現。
2、對古建掃描時，建議對不同的部分采用不同分辨率掃描。比如對地面或者表面平整的墻壁，天花板等可采用較小的分辨率（一般情況下2cm）。但對于體形較小，結構復雜的構建要用相對密集的點云表示（毫米級），有時候要用最大掃描密度來掃描（比如對分布在帶有浮雕的墻壁、柱子等）。
3、使用外置相機系統拍攝照片時，可以在掃描之前自然光線較好的條件拍攝，因為可能在掃描完畢后，為時已晚或遇到下雨天氣等情況，耽誤了拍照的時機。拍照時可設置自動包圍曝光，每個場景有三張照片：當前曝光值照片、正補償值照片、負補償值照片，然后內業在作選擇。
（三）應用成果
1、點云數據
代表掃描對象的一個個“測點”形成的“點集合”構成了三維激光掃描最原始的成果，稱為“點云”。點云雖然經過了掃描算法的處理，但相對于傳統單點式測量方法所具有的高密度和全息化的特點，可作為原始資料進行存檔。同時，點云作為掃描對象的全數字化實景模型，可實現室內的真實量測。在考古挖掘的不同階段，對挖掘現場進行掃描，可實現考古挖掘行為的動態化管理和考古過程數字化再現。在建筑遺產保護領域，借助于高精度的地面控制網，可實現文物建筑遺產的連續性掃描監測。
2、二維數字線劃圖
二維數字線劃圖是文物保護工程領域所習用的工程語言，三維激光掃描系統為繪制不同部位、不同方向的二維數字線劃圖提供了強大的繪制功能，使處于前端的文物測繪調查工作和后續的保護規劃制定、修繕工程設計、施工等實現了無縫對接。二維線劃圖的繪制根據測繪對象的特點可以采用下述幾種技術路線實現:
（1）對于局部構件的繪制，直接在點云上量取繪圖所需要的長、寬、高數據，然后借助繪圖工具繪制二維圖；
（2）對于剖面圖等截割投影圖，根據繪圖部位和繪制精度形成繪圖區域的點云“切片”，將點云切片導入 AUTO-CAD 等圖形繪制軟件形成二維線劃圖；
（3）對于空間關系不明顯、不易識別的測繪對象，借助高分辨率照片形成被測對象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。
二維線劃圖是對被測對象高度抽象化的結果，抽象的過程不可避免地造成了大量信息損失。實際上，在許多情況下二維線劃圖無法完整表達邊界模糊對象的真實情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補充表現方式，基于三維激光掃描點云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時又兼具普通相片高分辨率、易于辨識的優勢，較好地解決了“邊界模糊類對象”難以精細化表達的難題。利用這一特點，可實現“邊界模糊類對象”的數字化監測。譬如，通過比對不同時間段內壁畫的高清晰正攝影像圖，可精細地描述壁畫顏色、形態等的變化。
高程模型和三維模型
對雕像等這類由連續曲面構成的測繪對象，以等值線的形式表現的數字高程模型是其最基本的表現方式。相對于以往全站儀單點測繪，三維激光掃描技術高密度點云實現了等值線精細測繪和三維建模。
此外，由于三維激光掃描結合傳統控制測量可以較容易得到點云統一的地理坐標屬性，據此建立的三維模型可很方便實現被測對象的三維漫游。
4、平面圖、立面圖、剖面圖
建筑物的線畫圖作是傳統建筑測繪的成果之一，是建筑物的測繪圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖。這些二維的圖件可以表示房屋內部的結構或構造形式、分層情況，說明建筑物的長、寬、高的尺寸，地面標高，層頂的形式，門窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設計形式和各部位的聯系、材料及其高度等。傳統的測量方法是手工描繪加皮尺測量。利用點云數據，可在Auto CAD中利用Cloud worx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面圖。不但生產速度大大提高，且更簡單，能讓現有CAD技術人員充分利用自有的CAD制圖技術。
5、彩色點云網上
掃描的彩色點云可以在互聯網上，讓遠方的人可以通過互聯網有如置身于真實的建筑物之中。的點云不但可以網上瀏覽，還可以實現基于互聯網的量測、標注等。有利于數據共享和現有文物、建筑物的網上展示，宣傳。尤其是對于一些不宜長期向公眾開放的文物景點，通過網上的彩色點云數據，可以滿足公眾的網上虛擬瀏覽的需求，也有利于文物保護工作的開展。
（三）傳統測量技術與三維激光掃描技術的結合應用
三維激光掃描技術具有傳統測量方法不具備的諸多優勢，如變 “單點采集”為批量面式采集、實現了“外業測量內業化”、“非接觸”工作方式不需要測量輔助設施、“所見即所得”的特點實現了考古過程記錄的定量化和動態“回放”。無論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機載掃描儀，為了得到掃描目標的完整點云數據，都需要從不同掃描站對同一目標的不同部分進行掃描，然后將各個掃描站的掃描點云數據拼接在一起。數據拼接是三維掃描的最核心環節，但單憑三維掃描技術本身很難實現點云高精度拼接。
將傳統測量方法與三維激光掃描技術結合，是解決上述問題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數據的質量，同時使整個點云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測站數外，還需要在掃描測繪過程中引入控制測量的思想，按照“先控制，后碎部；從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內。掃描測繪前，首先利用精密水準儀、電子全站儀、衛星定位儀等傳統測量儀器布設三維掃描控制網，測算各個控制點的大地坐標；在外業掃描過程中同步測量拼接點的大地坐標，將單一測站的掃描數據直接納入大地測量坐標系中，提高拼接精度的同時，保證測繪對象不同部位的精度均勻。對于三維激光掃描無法測量的隱蔽部位可充分利用傳統手工測量的靈活性特點以彌補。
參考文獻
[1]白成軍．三維激光掃描在古建筑測繪中的應用[D].天津大學建筑學院，2007.
1工程概況及作業流程
1.1工程概況廣州市南豐國際會展中心坐落于廣州市海珠區琶洲島，包括南豐匯環球展貿中心和南豐國際會展中心共兩幢大樓，集商業寫字樓、五星級酒店等于一體的現代商務貿易中心，驗收總建筑面積為28.3萬m2，如圖1所示。會展中心外形獨特時尚，層層交錯橫縱;塔樓設計又宛如隨意凌亂堆放的方塊疊在一起，每個方塊即每一層都是錯亂而有序的疊搭;裙樓設計很具有傾斜線條美，或是向外傾斜，或是向內傾斜。由于其現代幾何式立面結構，采用全站儀設站方式較難以準確測量出裙樓傾斜面各樓層的平面位置，與交錯重疊的塔樓各樓層平面位置以及在裙樓不同傾斜角之間和塔樓各“方塊”之間進深不一的眾多凹角，這給我們的傳統規劃驗收測量帶來了挑戰。1.2作業流程鑒于上述對會展中心異形建筑物竣工驗收的分析，項目組應用三維激光掃描技術對其進行竣工驗收測量。其作業流程如圖2所示，主要內容包括:控制測量、外業掃描測量、內業數據處理、竣工圖核對、三維建模、建筑面積計算、平立面圖繪制、竣工地形圖繪制等。
2三維竣工測量數據采集
2.1控制測量為滿足建筑工程規劃驗收測量精度的要求，本工程以《衛星定位城市測量技術規范》為依據，布設一級靜態GPS控制網，共測設靜態控制點4個，范圍涵蓋兩幢大樓，并聯測四等水準8km(如圖3所示)。一級控制網起算點選用工程附近廣州市三等以上平面控制點，為提升整網精度，起算點范圍涵蓋4個一級控制點，高程控制以附近二等基巖水準控制點作為起算點。采用一級GPS控制網和四等水準不僅可以保證規劃驗收控制測量的精度，還能將驗收測量成果接入廣州市平面坐標系統和高程系統。2.2激光掃描測量數據采集本工程采用RIEGLVZ－400三維激光掃描儀，其反射距離為500m。依據會展中心建筑物異形的特點，本次三維激光掃描主要采用了以下兩種方式:①單站絕對定向模式:三維激光掃描測站與靶標(類似全站儀的棱鏡)布設在圖根點上，并設置掃描相應參數，執行掃描。②無靶標相對定向:采用無靶標方式，直接對目標建筑物進行掃描。掃描站點的坐標量測利用“廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統(GZCORS)”和廣州市似大地水準面，對三維激光掃描儀中內置的GPS定位功能進行開發，使得三維激光掃描儀在掃描測量建筑物的同時測量掃描站的RTK坐標，從而提高了外業作業速度和內業配準效率。工程實施過程中，對兩幢樓的掃描采用精掃模式。南豐匯環球展貿中心共掃描27站，其中10站為在裙樓上進行掃描，共采用標靶9個，貼于建筑物幕墻或者特征比較明顯的電線桿等物體上。南豐國際會展中心共掃描30站，其中9站為在裙樓上進行掃描，共采用標靶10個，同時用全站儀對標靶和測站點坐標進行測定。其中南豐國際會展中心采集站點如圖4所示。
3三維竣工測量數據處理
3.1掃描測量數據預處理對建筑物掃描后，需要進行點云數據的預處理，包括點云去噪與修補和點云配準等工作。(1)點云去噪與修補獲取的原始點云數據，會由于灌木叢遮擋，自身遮擋，玻璃透射等原因造成了大量的空洞和噪音，致使原始點云質量較差，需要進行去噪、補洞等處理。首先在地面三維激光掃描儀的配套軟件RiscanPro中去除偏差較大的噪音后，后在GeomagicStudio中進一步去噪與交互式操作補洞。(2)點云數據配準根據外業數據采集的兩種方式，數據配準工作同樣采用與之相對應的兩種模式。①后視定向配準對于起始測站采用靶標進行配準，輸入測站坐標和靶標坐標，采用RieGLRiscan中后視定向配準模塊進行配準，從而確定整個點云數據的全局坐標。②站站間配準首先要進行粗配，可以采用兩種方法:a、選擇同名特征點的方法進行配準，該方法適用于同名點特征明顯的，至少要選擇4個同名點，同名點應盡量選擇房屋角、線桿頂等尖銳地物點;b、根據人工交互式移動測站，使未配準站移動到已配準站的對應位置，匹配精度以能夠執行自動精確匹配為準。粗配結束，采用軟件自動精確精配，提高配準精度，配準誤差在0.01m以內，方可進行下一站配準。如圖5所示為南豐國際會展中心各測站數據配準之后的建筑物點云數據圖。3.2建筑物面積測算(1)采用切片法提取特征線設計合適的切片厚度對配準之后的三維點云數據的每一層進行X－Y水平面切面處理，通過提取特征點得到建筑物每一樓層特征線，從而計算該樓層建筑面積。(2)建筑面積計算采用切片法提取得到的每一樓層特征線，并通過輸出繪圖交換文件(dxf格式文件)，將其導入CAD軟件，在數據工程編輯狀態下繪制建筑物線劃圖，從而計算建筑物面積。3.3立面圖繪制根據建筑物竣工驗收要求，核對建筑物竣工立面圖是一項重要工作，本項目根據掃描點云數據繪制的建筑物竣工立面圖與建設單位提供的竣工建筑物立面圖進行對比，可清晰了解其立面圖的實際尺寸，與現場符合情況等。本工程的立面圖繪制流程如圖6所示，采用項目組自主研發軟件Laserscanner，對點云數據三維模型進行主立面投影，并采用三維量測模式進行量測，輸出繪圖交換dxf文件，將其導入CAD軟件中，在規劃管理工程模板下，并根據地面LiDAR部件高分辨率數碼相機所獲得的高清晰圖片，進行立面線劃圖繪制。采用三維激光掃描儀進行建筑物竣工測量，其中最終產品之一的是建立目標物的三維模型，如圖7所示，并可在模型上提取斷面圖，進行量測、面積計算等。根據點云經過建模處理之后繪制的塔樓竣工立面圖，如圖8所示。
4結果分析
以南豐國際中心第9層為例(如圖9所示)，下圖為經過X－Y水平面切面處理截留的點云平面圖，并與全站儀觀測數據進行比對(紅色線為全站儀觀測)。項目采用地面三維激光掃描儀結合全站儀觀測，還以南豐國際會展中心第9層為例，對該點云數據進行再次濾波去噪處理，并將其連接成線，并與全站儀觀測數對比，各角點坐標比較如表1所示。由于兩幢樓塔樓各樓層中心均有中空，采用全站儀觀測計算南豐國際會展中心第9層面積為3134.0km2(未扣除中空面積)，三維激光掃描儀計算面積為3133.1km2，面積相差甚小。
5總結
城市化進程中的異形建筑增多、規劃管理復雜化，傳統二維竣工測量已不能滿足規劃管理的要求。三維激光掃描儀以其自身的技術特點，能夠獲取一些全站儀難以采集到的建筑物角點，本文以廣州市會展中心某異形建筑為工程實例，來驗證三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的可行性。首先對三維竣工測量作業流程進行了總體闡述，繼而介紹了三維竣工測量數據采集中的控制測量和激光掃描測量數據采集流程與技術，最后對三維竣工測量數據處理中的掃描測量數據預處理、建筑物面積測算和立面圖繪制三個關鍵過程進行了分析研究。三維竣工測量數據與全站儀觀測數據進行比對分析，點位和面積結果相差甚少，能夠滿足建筑竣工測量需求。綜上所述，本文認為三維激光掃描技術在結構復雜、超大規模建筑物驗收測量中具有較好的應用價值，應該在特定的規劃驗收中推廣使用。
作者：呂磊 邢漢發 王敘泉 單位：廣州市城市規劃勘測設計研究院
