三維激光掃描技術在城市設計中的應用

摘要：激光掃描技術的應用為城市設計提供了新的技術手段。本文首先介紹激光掃描技術的原理和應用現(xiàn)狀，然后結合拉薩市東城區(qū)江蘇大道城市設計的實際項目闡述了激光掃描技術的工作流程，其中包括街區(qū)的測量、基于掃描文件的CAD圖紙的繪制、可視化與三維建模。最后分析了激光掃描技術在城市設計的應用前景和亟待解決的問題。

關鍵詞：激光掃描：點云；城市設計

中圖分類號：TN249

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0422(2009)05-0161-02

城市設計側(cè)重城市中各種關系的組合，建筑、交通、開放空間、綠化體系、文物保護等城市子系統(tǒng)交叉綜合，聯(lián)結滲透，是一種整合狀態(tài)的系統(tǒng)設計。它的對象范圍很廣，不同對象范圍城市設計的要求與內(nèi)容也不一樣。當城市設計中涉及到街區(qū)和保留主要建筑時，測繪和記錄其完備的資料是非常重要的。

1 三維激光掃描技術的介入

2008年3月，南京大學建筑學院承擔了拉薩市東城區(qū)江蘇大道城市設計的工作。項目中主要解決視線走廊的問題。江蘇大道線形西向直指布達拉宮，在視覺上與布達拉宮的聯(lián)系十分鮮明。江蘇大道對布達拉宮有著良好的視覺線路，在江蘇大道城市設計的建筑控高中，應繼續(xù)保持對布達拉宮的可視性。而現(xiàn)狀非常復雜，大部分建筑需要保留，同時新建的違章建筑嚴重影響了視線的貫通。由于沒有完備的建筑設計圖紙資料，我們需要采集江蘇大道兩側(cè)建筑的詳細信息，為以后的城市設計提供依據(jù)。涉及采集信息的街道長度為2300m，采用傳統(tǒng)的測量_方法已經(jīng)很難滿足工作的要求，而且費時費力。

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，能夠完整并高精度地重建掃描實物及快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)，重構整個建筑的全方位立體空間，包括建筑周圍的環(huán)境。它可以完整描述建筑物的每一個關鍵要素，因此為建筑保護與更新提供了真實準確的三維模型。它已廣泛應用于土地勘察、古建筑修復、文物保護、工廠改造、動漫制作等領域。三維激光掃描的核心原理是激光測距，即通過測量兩點間激光傳輸所需時間求得間距。對掃描對象表面進行密集多點測距，即可獲得掃描對象的完整三維空間信息。它的基本工作原理是將激光發(fā)射器、回光感應器集成在一個鏡頭中，再以鏡頭為極坐標系原點，控制鏡頭按照預設夾角圍繞水平、垂直兩個軸旋轉(zhuǎn)：按照一定時間間隔依次記錄激光反射到回光感應器的數(shù)據(jù)，即可獲得周圍空間環(huán)境的多點測距采樣。掃描獲得的每點數(shù)據(jù)由3部分構成：方位角、距離、回光強度。典型的激光掃描儀一站全景掃描即可采集周圍環(huán)境中超過一千萬個點的三維坐標，如此海量的、有組織的點集被形象地稱為“點云”(Point Cloud)，點云數(shù)據(jù)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研究工作的需求。

2 數(shù)據(jù)的采集

在拉薩市東城區(qū)江蘇大道城市設計中，我們采用三維激光掃描儀對江蘇大道兩側(cè)的建筑進行測量，快速采集建筑物和街道的精確數(shù)據(jù)，這樣就大大減少了工作量。掃描獲得的三維點云包含所有建筑細部的坐標信息，可在電腦中隨意移動、翻轉(zhuǎn)、切片，便于測量，更可與原有的CAD圖紙進行比對修改。項目中采用的是徠卡中遠型三維激光掃描儀Scanstation 2，它的掃描距離可達300m，掃描精度達到1 mm，使用的軟件是儀器自帶軟件Cyclone。主要的工作流程如下：

2.1 掃描站點設計

一般來說三維激光掃描儀很難從一個方向掃描一次便可得到目標的完整點云數(shù)據(jù)，為了獲得建筑物表面的全方位點云數(shù)據(jù)，必須分多次進行數(shù)據(jù)的掃描，在不同的方向不同的角度掃描場景。掃描前需制定出合理的站點設置方案。站點設置的合理，可以顯著減少掃描的工作量。在項目中，江蘇大道的寬度為38m，兩側(cè)的建筑物間距較大。各站點之間的間距可以較大，充分發(fā)揮這款掃描儀的特點。各站掃描平均耗時1小時?？傆嫆呙钑r間約30個小時，大大減少了室外測量的工作。

2.2 掃描精度控制

掃描的點云數(shù)據(jù)量巨大，不能夠?qū)λ械哪繕诉M行巨細的掃描。需要根據(jù)不同的目標，調(diào)整掃描精度。掃描儀會根據(jù)軟件環(huán)境設置的參數(shù)自動進行掃描，無需人工干預。項目中需要重點掃描的建筑物主要位于江蘇大道的西側(cè)，掃描精度較高。東側(cè)多為農(nóng)田，掃描精度較低，且各站點之間的距離較大。

2.3 點云數(shù)據(jù)拼接

每站掃描點云都是以掃描儀位置為零點的局部坐標系，亦即每次經(jīng)掃描而得到的點云數(shù)據(jù)的坐標系是獨立和不關聯(lián)的。但實際上每幅點云陣數(shù)據(jù)都是掃描場景的一部分，就有必要將這些點云數(shù)陣據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標系里，所以要對得到的點云數(shù)據(jù)進行拼接匹配。掃描時在場地中設置標靶，使得各站掃描結果中均兩兩包含三個以上的不共線同名標靶，再以其中一站的坐標為基準逐一對齊。Cyclone軟件可以自動識別標靶控制點，對各站數(shù)據(jù)進行拼接。

3 數(shù)據(jù)的處理

3.1 點云數(shù)據(jù)的預處理

在非接觸三維掃描測量過程中，受測量方式、被測量物體材料性質(zhì)、外界干擾等因素的影響，不可避免地會產(chǎn)生誤差很大的點(噪聲點)。因此在數(shù)據(jù)處理的第一步，就應利用相關軟件除去那些誤差大的噪聲點。在Cyclone軟件中，于各個視圖中選取主要對象外的噪聲點，一一進行刪除，最后提取主要對象。這樣可以減少數(shù)據(jù)量，因為掃描的點云數(shù)據(jù)量很大，如果不進行處理，會影響計算機的運行速度。

3.2 點云數(shù)據(jù)在CAD中的處理

在Cyclone軟件環(huán)境下對三維點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理后，可以和AutoCAD進行交互工作。主要有以下兩種方式。

(1)由于點云數(shù)據(jù)量巨大，一般電腦運行起來比較困難。首先在Cyclone軟件中進行分塊，然后將點云數(shù)據(jù)保存為*.dxf通用交換格式，在AutoCAD中打開點云數(shù)據(jù)文件，分別繪圖。首先需要調(diào)整視圖和坐標系，繪制出建筑的立面線框圖，需細致繪制的部位，可以精確捕捉點繪出。

(2)利用Cyclone軟件在AutoCAD中的插件CloudWorx進行交互工作，優(yōu)點在于電腦運行比較快，可以利用插件的功能對點云進行多方面的操作，也可以繪制建筑的立面線框圖。局限性在于受軟件版權的限制，只能在一臺電腦上操作，不利于集體配合。

在拉薩市東城區(qū)江蘇大道城市設計中，采用第二種操作方式，將原有地形圖和設計后的圖紙采用外部調(diào)用的方式，在AutoCAD中與點云數(shù)據(jù)對齊，繪制出部分新建建筑的平面圖，解決部分建筑平面圖缺失的問題。

3.3 可視化與三維建模

三維可視化既是一種解釋工具，也是一種成果表達工具。三維激光掃描可以獲得街道全方位的立體空間，同時點云數(shù)據(jù)在Cyclone中可以進行動態(tài)的演示和觀察，對街道進行實時的空間感受，為設計者提供了有利的設計依據(jù)。

利用點云進行三維建模的方法主要有兩種：在Cyclone軟件中利用點云數(shù)據(jù)直接建模和依照點云繪制的CAD圖紙進行建模。設計中，在AutoCAD利用掃描的點云數(shù)據(jù)精確測量出保留建筑的高度，建立簡單的體塊模型。同時把沿街的新建建筑和布達拉宮的模型在AutoCAD中進行準確定位，使模型和點云的坐標一致，然后導人掃描出的街道環(huán)境中。選取重要的道路節(jié)點觀察是否能夠看到布達拉宮，對設計進行指導。在成果表達方面，可以進行設計成果前后的對比，對最終的城市設計進行評價。

4 結語

三維激光掃描系統(tǒng)是一項新興的測量技術，結合城市和建筑應用來看，它的應用領域十分廣泛。對于城市精細空間數(shù)據(jù)的采集以及如何根據(jù)數(shù)據(jù)用三維立體模型表達空間信息，在技術、設備以及開發(fā)應用方面還有很多問題值得探討和研究。

參考文獻：

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