無人機攝影測量知識之三維激光掃描儀在城市規劃中的應用

一
、概述

無人機攝影測量告訴大家城市規劃是處理城市及其鄰近區域的工程建設、經濟、社會
、土地利用布局以及對未來發展的預測。它的對象偏重於城市物質形态的部分，涉及城市中産業的區域布局、建築物的區域布局、道路及運輸設施的設置、城市工程的安排，主要内容有空間規劃、道路交通規劃、綠化植被和水體規劃等内容。

因此我們經常需要對城市的空間格局和建築及道路等信息模型進行瞭(le)解和記錄，採用傳統的測量方法很難滿足設計的需要。三維激光掃描是一項高新技術，主要用於對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐标。它的重要意義在於能夠将實物的立體信息轉換爲計算機能直接處理的數字信号，爲實物數字化提供瞭(le)相當方便快捷的手段。它能夠重構現實的全方位立體空間，完整描述城市空間的各個關鍵因素，可以提供真實準確的三維模型
。它的測量結果能直接與多種軟件接口
，已廣泛應用於各個領域。在城市規劃中，三維激光掃描技術的應用還處於起步探索階段。如何在大尺度的範圍内利用三維激光掃描技術快速採集城市空間的三維信息，並(bìng)對數據進行有效的處理爲設計所用值得深入研究。研究的意義在於發揮現代科學技術在設計中的輔助作用，快速解決繁瑣的、無聊的測繪工作，並(bìng)對設計對象進行全方位的理解和認識。

二、三維(wéi)激光掃(sǎo)描儀工作原理

三維激光掃描儀的工作原理有兩種：脈沖式和相位式。這兩種方式是掃描儀所採(cǎi)用的激光測(cè)距原理的區别。

相位式測(cè)距原理是根據激光發射到接收間隔内相位的變(biàn)化,來計算所測(cè)距離
。

相位特點(diǎn)： 1、掃描速度快；2、高點(diǎn)雲密度；3、高精度；4、掃描距離(lí)短；

脈沖(chōng)式測(cè)距原理是通過激光從發射到接收之間的脈沖(chōng)個數計算距離。

脈沖(chōng)特點(diǎn)： 1、掃描距離遠；2、應用範圍廣；

三維激光掃描儀的工作過程，實際上就是一個不斷重複的數據採(cǎi)集和處(chù)理過程，它通過具有一定分辨率的空間點（坐标x,y,z，其坐标系是一個與掃描儀設置位置和掃描姿态有關的儀器坐标系）所組成的點雲圖來表達系統對目标物體表面的採(cǎi)樣結果。

三維激光掃描是國際上近期發展的一項高新技術。随著(zhe)三維激光掃描儀在地質、礦業、隧道開挖、逆向工程、文物等的實際應用，這種技術已經引起瞭(le)廣大科研人員的關注。利用三維激光掃描技術獲取的空間點雲數據,可快速建立結構複雜
、不規則的場景的三維可視化模型,既省時又省力,這種能力是現行的三維建模軟件所不可比拟的。

三
、三維激光掃(sǎo)描系統介紹(shào)

3.1 三維激光掃(sǎo)描儀産(chǎn)品介紹

新型的FARO Focus3D X 330 是一款超長(zhǎng)測(cè)量距離的高速三維掃描儀。Focus3D X 330 将掃描範圍擴展至全新的尺寸:能夠在陽光直射下掃描最遠距離爲330 米的物體。利用所集成的 GPS 接收器，這款激光掃描儀能夠使每次掃描與後處理相互關聯，而成爲測(cè)量型應用的理想選擇。

借更高的精度和更大的範圍，FAROFocus3D X 330 大大減輕瞭(le)測量和後處理的工作量。三維掃描數據可被輕松地導入所有常用的事故重現、結構、土木工程、建築、法醫鑒定、工業制造和土地測量軟件解決方案。FAROFocus3D X 330 與FARO Freestyle3D 的測量結果無縫地整合在一起。彌補大空間掃描儀的局部數據缺失，確(què)保數據更完整、得到更大的應用
。

産品優勢：

高效：三維激光掃描儀具有最遠達330 米的測(cè)量距離、水平傳感器、緊湊性、易用性以及無任何額外費用的自動配準功能，與普通的激光掃描儀相比，可使掃描和處(chù)理時間節省一半。

精確(què)且快速：FAROFocus3D 能夠在高達 976,000 個測量點/秒的極快速度下，對實際物體創建精度達到毫米的精確(què)的虛拟拷貝(bèi)。

經濟(jì)性：FAROFocus3D 的價格本身就具有革命性。它前所未有地使三維激光掃描儀變(biàn)得如此物美價廉。

革命性的簡單化：由於(yú)利用觸摸屏實現瞭(le)直觀的控制概念，FAROFocus3D 的操作就像數碼相機那樣簡單。

集成 GPS 接收器和傳感器：利用所集成的GPS 接收器，這款激光掃描儀能夠在進行後處理時将戶外進行的各次掃描關聯在一起。集成的傳感器包括羅盤、高度計、雙軸補(bǔ)償(cháng)器。

室外掃描 - 在陽光直射條件下：能夠(gòu)在陽光直射條件下進(jìn)行快速和高精度的掃描。

獨(dú)立解決方案：超便攜設計，可在不借用外部設備(bèi)的條件下工作

外形小巧：FAROFocus3D X 330 的尺寸僅(jǐn)24 x 20 x 10 立方厘米，是目前最小的三維掃(sǎo)描儀

集成彩色照相機：集成的彩色相機可自動(dòng)提供7 千萬像素的無視差彩色疊(dié)加，因此能夠進行照片般逼真的三維彩色掃描。

數據管理：所有數據均被存儲(chǔ)在一個SD 卡上，允許輕松且安全地将這些數據傳輸至個人電腦並(bìng)在 SCENE 軟件中進行後處理。

3.2 三維數據(jù)處(chù)理軟件介紹

3.2.1FARO SCENE

FARO SCENE軟件是一種适用於(yú)專業用戶的全面三維點雲處(chù)理和管理軟件工具。它專門用於(yú)查看、管理和使用從高分辨率三維激光掃描儀（如FARO激光掃描儀Focus3D）獲得的各種三維掃描數據。SCENE 通過使用自動對象識别、掃描拼接和定位，能夠高效輕松地處(chù)理和管理掃描的數據。

無人機攝影測量告訴大家在SCENE 準備好掃描數據後
，您即可立即進行評估和進一步地處理。因此您可以自行選擇各種簡單易用的功能–從簡單測定到三維可視化，再到網格劃分和導出到各種點雲和CAD 格式。有瞭(le)SCENE WebShare，現在可以将您的掃描對象發布到互聯網上，並(bìng)可使用互聯網共享您的掃描項目。

軟件優勢：

無标準配準：基於(yú)“俯視圖”以及“雲對(duì)雲”配準

AutodeskReCap格式：掃描項目可導(dǎo)出爲Autodesk®ReCap格式。可直接與3D Max對(duì)接

支持FARO Laser Scanner Focus3D X Series和FARO Scanner Freestyle3D：使用GPS信息來(lái)布置掃(sǎo)描。

裁剪框：剪切框可方便地選取您感興趣的三維點(diǎn)雲區域。剪切框可切斷點(diǎn)雲，剪除某些特定區域，爲您顯示或隐藏三維點(diǎn)雲中的某些點(diǎn)，通過裁剪框可以選擇和導(dǎo)出點(diǎn)雲。

創(chuàng)建正射影像：利用點(diǎn)雲生成正射影像在cad中快速生成平、立、剖面圖

共享項目數據：FARO的主機解決方案Scene Webshare Cloud允許項目夥(huǒ)伴通過(guò)輕松的數據共享和全球協作來加快工作流程。

3.2.2Kubit PointSense for AutoCAD

Kubit PointSensefor AutoCAD爲AutoCAD環境下應用軟件，可提供完整的“From Real World to CAD”軟件包，軟件可支持激光掃描，攝影測量和全站儀。大大提升瞭AutoCAD在多個行業中的高效應用性，並向用戶提供成熟的測量和獲取現狀的解決方案以及最佳Autodesk 集成方案，使非測量人員同樣可以完成測量任務。其産品覆蓋領域包括，測繪、建築
、文保、考古、設施管理、工程與施工等等，任何使用過Kubit軟件的用戶都會對其産品的實用性贊不絕口。

軟件性能：

基於(yú)數據庫的管道和鋼結構建模：半自動管道建模、結構識别、罐體分析體積及變(biàn)形...

提取平面圖和立面圖：房間輪廓提取多邊(biān)形、房間的詳細信息，如門，窗，樓梯，高度… 、面積計算(報(bào)告，設施管理)、創建正射影像

結合點雲與影像：展開點雲與影像(塔, 拱形結構, 立面, 天花闆...)、表面分析、傳(chuán)統的攝影測(cè)量

軟件優勢：

無人機攝影測(cè)量告訴大家使用掃描圖像替代數據量巨大的點雲、可連接多種CAD程序、用虛拟的現場(chǎng)記錄來支持傳統的測(cè)繪工作、利用通用接口可将數據導入Excel，數據庫…

四、總結概述

城市有效的規劃與管理，爲城市的經濟發展帶來更大的機遇和美好的前景。21世紀，城市規劃的數據來源主要衛星影像、航空影像、進京攝影測(cè)量數據、激光掃描數據和人工測(cè)量數據以及其他一些外部導出數據。其中，三維激光掃描技術以其數據獲取速度快、數據量大、高密度、高精度、實時性、主動性強、全數字特征、儀自動化等特點逐漸成爲獲取空間信息的一種主要手段。數據應用範圍也擴展到工程測(cè)量、環境監測(cè)、城市3D建模、城市規劃管理、交通運輸等諸多方面，顯示出獨特的、傳(chuán)統手段無法取代的優越性。