激光扫描仪在城市空间测量的应用

激光扫描仪在城市空间测量的应用

韩冰  段显

自然资源部第三地形测量队 150000

摘要：随着我国经济的快速发展，城市化也取得了显著进步，但是这种快速的城市化也带来了一系列的问题，如人口的过度膨胀、土地的日益紧缺、自然环境的恶化等，因此对城市空间的有效利用尤为重要。随着国家政策的不断完善，城市空间普查工作受到越来越多的重视，准确完整地城市空间数据采集是城市空间管理的基础，而精确可靠的测绘结果则是保障空间管理科学性的关键因素。

关键词：激光扫描仪；城市空间测量；应用

引言：激光扫描技术可以实现更加准确、快速地收集点云信息，实现三维重建，具有极高的密度和精度，不仅可以应用于广泛的表面目标检测，而且可以用来测量各种形状、尺寸、体积以及等值线，从而提高测绘工作者的工作效率。激光扫描仪具备出色的三维立体测量性能，可以以极其准确的深度和高分辨率完成扫描，从而为城市空间的研究带来更多的便利，同时也可以更加准确地收集数据，从而提升研究质量。

1、数据采集

1.地面三维激光扫描仪

三维激光扫描仪具有多种技术，包括实时复制、视觉追踪和智能拼接，能够将三维激光扫描与外业操控软件和智能拼接软件相结合，使操作更加简单高效。此外，三维激光扫描仪的速度非常快，三维激光扫描仪配备多台全景照相机，拍摄时间短且图像清晰，不会受到周围光线的干扰，能适应各种场合的使用要求。

1.2控制测量

为了确保点云数据的质量和准确性，必须对其进行控制测量。这包括两个方面：地表控制区和地下控制区。通过RTK网络的二次点位布局，结合四等水准标定技术，准确测量出地表的高度；而在地下控制区，则使用导线法来实现。从一个相对平坦的地下空间中抽取2个点，将它们的坐标变换成一个精确的目标坐标。

1.3点云数据采集

通过三维激光扫描仪和VIS技术，可以获取点云数据。为了更好地跟踪每个站点，在周围安装多台摄像机，并通过这些摄像机来识别各站点的运动轨迹，从而确定站点位置。通过使用IMU技术，实时定位两个相邻站之间的位置，并利用智能拼接的优势，在测量区域内实现实时自动拼接，提高了工作效率。通过利用IMU的倾角校正和内置的高度计，三维激光扫描仪可以实现无需调整的精确测量高度的功能[1]。为了确保拼接的精度，每个站点的扫描必须保持至少20%的重叠，而且要根据实际情况来调整站点之间的距离，一般在10米到50米之间，但如果视线受到限制，可以适当减少站点之间的距离，以避免出现死角，特别是在地下空间的拐角处。当要对一个单独的地下空间进行检测时，需要确保至少包含3个控制点或引线，同时检测这些控制点和引线，并获得更好的测量结果。

2、数据处理

在点云预处理中，三维激光扫描系统和智能拼图软件可以有效地实现点云的配准、去噪和抽取，实现对两种曲面点集的最佳匹配，并且能够实现自动拼接。此外，ICP也是一种有效的迭代式优化方法，可以有效地提高点云的精度。

在点云数据的预处理过程中，不需要进行点云配准，通过自动拼接技术，可以实现对点云的实时观测，从而避免出现分层、错位、镜像等与实际情况不符的问题，尤其是在楼梯间、设备间等具有类似特点的房间，更加可靠地保证数据的准确性和完整性。通过观察两个测量站点的重叠情况，可以推断出该点云的模型是否相同；此外，观察该点云的反射特征也可以帮助判断是否存在拼接错误。

2.1点云去噪

在非密闭空间中，由于外界的障碍，例如汽车、行人、建筑物，以及接触的强烈反射，使得扫描结果可能存在一定的误差。因此，在进行点云预处理之前，必须采取措施来减少这些误差，从而避免一些关键信息的遗漏。通过采用LeicaCyclone点云过滤技术，可以有效地抑制点云中的噪声，特别是大尺度的冗余点云。通过人工交互的方式，从不同的视角来观察点云数据，并将其分为两个白色的方块，这两个方块就是冗余点云，然后通过Cyclone中的点云选择和删除功能，就可以将大量的冗余点云分离出来。此外，点云资料中存在大量冗余信息或噪音，因此无法直接进行筛选或剔除。无论从哪个角度来看，删除这些信息都会对点云产生影响。为了解决这个问题，需要使用Cyclone软件的LimitBox功能进行处理，并将这些信息删除掉。

2.2点云抽稀

使用三维激光扫描仪进行地下空间测量时，即使采用最小的扫描方式，由于每秒可以扫描超过两百万个点，点云数据量也会变得庞大。为了减少后期处理和模型计算的复杂性，必须对点云数据进行抽稀化，以确保其均匀性，从而提升模型的准确性。LeicaCyclone点云处理软件具有强大的抽取功能，可以自由调节稀疏程度，有效地改善点云模型，使得点云的密度更高，从而更清晰地反映出点云的厚度。通过减少点云密度和厚度，显著减少数据量，而整个点云模型的结构仍然保持不变。

2.3点云数据坐标转换

通过三维激光扫描系统，获取地下空间中的点云数据时，由于无法精确定位，因此必须将这些数据转换成一个精确的坐标系统，才能满足工程实际需求。通过智能拼图软件和LeicaCyclone点云处理系统，实现对点云的坐标变换，这种变换以一个或2个平面控制点作为目标点，将点云的位置和大小进行精确的转换，从而实现点-云的坐标变换

[2]。

2.4点云数据矢量化

通过使用AutoCAD、程序设计、点云处理和三维模型，能够有效地提取出工程实际中的点云数据的轮廓。通过使用LeicaCyclone的Coudworx插件，将点云模型应用于AutoCAD，实现对点云的有效分割。采用点云处理技术，可以有效地提取出点云的轮廓，并将其转换为EPS软件能够识别的格式，从而实现高效的数据处理。通过处理点云数据，可以获取地下空间的详细信息，包括范围、安全通道的方向、各种设施的位置、管线的走向等。这些信息可以帮助测量人员更准确地了解地下空间的高度和方向，并且可以用来进行后期的三维建模。

结论：随着我国城市化的快速发展，对城市空间的利用和开发被备受关注，但由于空间复杂的结构以及获取三维信息的困难，传统的空间测量技术正面临着前所未有的挑战。三维激光扫描作为一种先进的图像处理技术，可以突破以往仅仅局限于某个特定位置的局限，可以快速收集大量的点云数据，同时还可以创造出多维的立体点云模型，拥有许多其他传统方法无法比拟的优势与功能。目前，3D 激光技术所构建的点云模型只是一个起步阶段，要想实现有效的点云分类和自动化处理，就必须加强对这一领域的研究，以推动这一技术的发展和应用。

参考文献

[1]李嘉禾,李国柱,赵子龙等.三维激光扫描技术在地下空间测量中的应用[J].城市勘测,2022(03):109-113.

[2]贺磊,孙灏.三维激光扫描在地下空间测量中的应用研究[J].城市勘测,2021(03):104-107.