无人机摄影测量知识之三维激光扫描仪在城市规划中的应用

一、概述

无人机摄影测量告诉大家城市规划是处理城市及其邻近区域的工程建设、经济、社会、土地利用布局以及对未来发展的预测。它的对象偏重于城市物质形态的部分，涉及城市中产业的区域布局、建筑物的区域布局、道路及运输设施的设置、城市工程的安排，主要内容有空间规划、道路交通规划、绿化植被和水体规划等内容。

因此我们经常需要对城市的空间格局和建筑及道路等信息模型进行了解和记录，采用传统的测量方法很难满足设计的需要。三维激光扫描是一项高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。它能够重构现实的全方位立体空间，完整描述城市空间的各个关键因素，可以提供真实准确的三维模型。它的测量结果能直接与多种软件接口，已广泛应用于各个领域。在城市规划中，三维激光扫描技术的应用还处于起步探索阶段。如何在大尺度的范围内利用三维激光扫描技术快速采集城市空间的三维信息，并对数据进行有效的处理为设计所用值得深入研究。研究的意义在于发挥现代科学技术在设计中的辅助作用，快速解决繁琐的、无聊的测绘工作，并对设计对象进行全方位的理解和认识。

二、三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描仪的工作原理有两种：脉冲式和相位式。这两种方式是扫描仪所采用的激光测距原理的区别。

相位式测距原理是根据激光发射到接收间隔内相位的变化,来计算所测距离。

相位特点： 1、扫描速度快；2、高点云密度；3、高精度；4、扫描距离短；

脉冲式测距原理是通过激光从发射到接收之间的脉冲个数计算距离。

脉冲特点： 1、扫描距离远；2、应用范围广；

三维激光扫描仪的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理过程，它通过具有一定分辨率的空间点（坐标x,y,z，其坐标系是一个与扫描仪设置位置和扫描姿态有关的仪器坐标系）所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果。

三维激光扫描是国际上近期发展的一项高新技术。随着三维激光扫描仪在地质、矿业、隧道开挖、逆向工程、文物等的实际应用，这种技术已经引起了广大科研人员的关注。利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。

三、三维激光扫描系统介绍

3.1 三维激光扫描仪产品介绍

新型的FARO Focus3D X 330 是一款超长测量距离的高速三维扫描仪。Focus3D X 330 将扫描范围扩展至全新的尺寸:能够在阳光直射下扫描最远距离为330 米的物体。利用所集成的 GPS 接收器，这款激光扫描仪能够使每次扫描与后处理相互关联，而成为测量型应用的理想选择。

借更高的精度和更大的范围，FAROFocus3D X 330 大大减轻了测量和后处理的工作量。三维扫描数据可被轻松地导入所有常用的事故重现、结构、土木工程、建筑、法医鉴定、工业制造和土地测量软件解决方案。FAROFocus3D X 330 与FARO Freestyle3D 的测量结果无缝地整合在一起。弥补大空间扫描仪的局部数据缺失，确保数据更完整、得到更大的应用。

产品优势：

高效：三维激光扫描仪具有最远达330 米的测量距离、水平传感器、紧凑性、易用性以及无任何额外费用的自动配准功能，与普通的激光扫描仪相比，可使扫描和处理时间节省一半。

精确且快速：FAROFocus3D 能够在高达 976,000 个测量点/秒的极快速度下，对实际物体创建精度达到毫米的精确的虚拟拷贝。

经济性：FAROFocus3D 的价格本身就具有革命性。它前所未有地使三维激光扫描仪变得如此物美价廉。

革命性的简单化：由于利用触摸屏实现了直观的控制概念，FAROFocus3D 的操作就像数码相机那样简单。

集成 GPS 接收器和传感器：利用所集成的GPS 接收器，这款激光扫描仪能够在进行后处理时将户外进行的各次扫描关联在一起。集成的传感器包括罗盘、高度计、双轴补偿器。

室外扫描 - 在阳光直射条件下：能够在阳光直射条件下进行快速和高精度的扫描。

独立解决方案：超便携设计，可在不借用外部设备的条件下工作

外形小巧：FAROFocus3D X 330 的尺寸仅24 x 20 x 10 立方厘米，是目前最小的三维扫描仪

集成彩色照相机：集成的彩色相机可自动提供7 千万像素的无视差彩色叠加，因此能够进行照片般逼真的三维彩色扫描。

数据管理：所有数据均被存储在一个SD 卡上，允许轻松且安全地将这些数据传输至个人电脑并在 SCENE 软件中进行后处理。

3.2 三维数据处理软件介绍

3.2.1FARO SCENE

FARO SCENE软件是一种适用于专业用户的全面三维点云处理和管理软件工具。它专门用于查看、管理和使用从高分辨率三维激光扫描仪（如FARO激光扫描仪Focus3D）获得的各种三维扫描数据。SCENE 通过使用自动对象识别、扫描拼接和定位，能够高效轻松地处理和管理扫描的数据。

无人机摄影测量告诉大家在SCENE 准备好扫描数据后，您即可立即进行评估和进一步地处理。因此您可以自行选择各种简单易用的功能–从简单测定到三维可视化，再到网格划分和导出到各种点云和CAD 格式。有了SCENE WebShare，现在可以将您的扫描对象发布到互联网上，并可使用互联网共享您的扫描项目。

软件优势：

无标准配准：基于“俯视图”以及“云对云”配准

AutodeskReCap格式：扫描项目可导出为Autodesk®ReCap格式。可直接与3D Max对接

支持FARO Laser Scanner Focus3D X Series和FARO Scanner Freestyle3D：使用GPS信息来布置扫描。

裁剪框：剪切框可方便地选取您感兴趣的三维点云区域。剪切框可切断点云，剪除某些特定区域，为您显示或隐藏三维点云中的某些点，通过裁剪框可以选择和导出点云。

创建正射影像：利用点云生成正射影像在cad中快速生成平、立、剖面图

共享项目数据：FARO的主机解决方案Scene Webshare Cloud允许项目伙伴通过轻松的数据共享和全球协作来加快工作流程。

3.2.2Kubit PointSense for AutoCAD

Kubit PointSensefor AutoCAD为AutoCAD环境下应用软件，可提供完整的“From Real World to CAD”软件包，软件可支持激光扫描，摄影测量和全站仪。大大提升了AutoCAD在多个行业中的高效应用性，并向用户提供成熟的测量和获取现状的解决方案以及最佳Autodesk 集成方案，使非测量人员同样可以完成测量任务。其产品覆盖领域包括，测绘、建筑、文保、考古、设施管理、工程与施工等等，任何使用过Kubit软件的用户都会对其产品的实用性赞不绝口。

软件性能：

基于数据库的管道和钢结构建模：半自动管道建模、结构识别、罐体分析体积及变形...

提取平面图和立面图：房间轮廓提取多边形、房间的详细信息，如门，窗，楼梯，高度… 、面积计算(报告，设施管理)、创建正射影像

结合点云与影像：展开点云与影像(塔, 拱形结构, 立面, 天花板...)、表面分析、传统的摄影测量

软件优势：

无人机摄影测量告诉大家使用扫描图像替代数据量巨大的点云、可连接多种CAD程序、用虚拟的现场记录来支持传统的测绘工作、利用通用接口可将数据导入Excel，数据库…

四、总结概述

城市有效的规划与管理，为城市的经济发展带来更大的机遇和美好的前景。21世纪，城市规划的数据来源主要卫星影像、航空影像、进京摄影测量数据、激光扫描数据和人工测量数据以及其他一些外部导出数据。其中，三维激光扫描技术以其数据获取速度快、数据量大、高密度、高精度、实时性、主动性强、全数字特征、仪自动化等特点逐渐成为获取空间信息的一种主要手段。数据应用范围也扩展到工程测量、环境监测、城市3D建模、城市规划管理、交通运输等诸多方面，显示出独特的、传统手段无法取代的优越性。