三維激光掃描系統(tǒng)的工程規(guī)劃

李 濱，王 佳

（1.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京100871;2.上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司歷史建筑保護(hù)設(shè)計(jì)研究院，上海200041）

一、三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)越來(lái)越引起相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注。它是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集的大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破。該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等各領(lǐng)域也有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索［1］。

三維激光掃描系統(tǒng)包括獲取數(shù)據(jù)的硬件和處理分析數(shù)據(jù)的軟件。硬件用于現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的采集，軟件則用于對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制、原始數(shù)據(jù)的拼接、建模、紋理貼圖、線畫圖件提取和數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。涉及的參數(shù)包括硬件和軟件的掃描距離、角度、精度、速度、穩(wěn)定度等，需要根據(jù)不同的軟硬件的參數(shù)特性和工程需求，采取不同的工程方案［2］。在實(shí)踐中，每一個(gè)三維激光掃描系統(tǒng)的工作都可看做是一個(gè)系統(tǒng)的工程，不僅涉及硬件和軟件，還涉及數(shù)據(jù)處理流程的多方面。

二、三維激光掃描系統(tǒng)的工程規(guī)劃意義和內(nèi)容

1.規(guī)劃的意義

三維激光掃描的工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，按照流程，主要包括規(guī)劃、采集、拼接、建模、發(fā)布等5個(gè)大的流程環(huán)節(jié)，涉及外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理。因此必須在前期有個(gè)完整的規(guī)劃，才能保證掃描工作能夠在計(jì)劃(時(shí)間、精度、成本)規(guī)定的范圍內(nèi)完成。掃描規(guī)劃的意義，就是通過(guò)合理的外業(yè)掃描方案制訂和工程的時(shí)間進(jìn)度計(jì)劃制定，以保證掃描項(xiàng)目工程達(dá)到時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的利益最大化。

2.規(guī)劃的內(nèi)容

三維激光掃描系統(tǒng)的工程規(guī)劃包括外業(yè)的掃描規(guī)劃和整個(gè)項(xiàng)目工作的時(shí)間規(guī)劃。

由于三維激光掃描儀的工作原理是基于激光測(cè)距，因此也決定了在有遮擋的地方，激光無(wú)法形成回波，因而無(wú)法獲取數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)的缺失，形成點(diǎn)云中的空洞區(qū)。這些缺失的數(shù)據(jù)必須通過(guò)搬站多次掃描的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。而架設(shè)的站點(diǎn)的數(shù)量，決定了外業(yè)的工作時(shí)間和獲取的點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，每多一站的掃描，不僅帶來(lái)的是時(shí)間上的不經(jīng)濟(jì)，會(huì)增加外業(yè)工作的時(shí)間和成本，更多的是大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的累積，對(duì)于后期的數(shù)據(jù)拼接和處理等增加了工作量，同時(shí)也增加了內(nèi)業(yè)的處理時(shí)間。

在一些大型的掃描項(xiàng)目中，為了提高整體精度，不僅需要用到掃描儀，還需要配合全站儀，利用全站儀布置控制網(wǎng)。控制點(diǎn)的選擇也需要在前期進(jìn)行合理的規(guī)劃?？刂泣c(diǎn)的選擇，既要項(xiàng)目滿足精度要求，又要有滿足現(xiàn)場(chǎng)通視性的要求，還要求與掃描儀工作時(shí)能夠有效地配合，相互間可同時(shí)作業(yè)，而不相互干擾。此外，現(xiàn)場(chǎng)掃描之前，標(biāo)靶的擺放位置和擺放數(shù)量，以及標(biāo)靶的命名規(guī)則，都需要前期有個(gè)規(guī)劃。

三維激光掃描系統(tǒng)的時(shí)間規(guī)劃則是基于掃描工程項(xiàng)目的成果需求，綜合考慮外業(yè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間，以及工程團(tuán)隊(duì)的人力資源情況，進(jìn)行整體的項(xiàng)目時(shí)間安排。

三、三維激光掃描系統(tǒng)的工程規(guī)劃方法

1.外業(yè)規(guī)劃的方法

從外業(yè)來(lái)說(shuō)，需要規(guī)劃的內(nèi)容很多，包括標(biāo)靶的命名、站點(diǎn)的選擇、控制點(diǎn)的布設(shè)、精度選擇、掃描日志記錄內(nèi)容等。以下攫取幾個(gè)方面進(jìn)行探討。

圖1 外業(yè)規(guī)劃草圖

首先，在進(jìn)行外業(yè)規(guī)劃的時(shí)候，一般需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，并需要有詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)注記和草圖，這兩個(gè)文件對(duì)于掃描工程非常重要?，F(xiàn)場(chǎng)注記和草圖應(yīng)該有一個(gè)包括掃描區(qū)域的平面圖，能顯示掃描儀和標(biāo)靶的位置，以及每一站的標(biāo)靶的名稱。另外，從掃描位置看出去的透視圖也應(yīng)該畫一個(gè)，這有助于內(nèi)業(yè)處理時(shí)了解數(shù)據(jù)獲取時(shí)的情況，尤其是在遇到類似于標(biāo)靶編號(hào)錯(cuò)誤等復(fù)雜的情況。圖1是一個(gè)規(guī)劃草圖的實(shí)例，在該掃描工程中，規(guī)劃共對(duì)建筑物(亭子)進(jìn)行兩站數(shù)據(jù)掃描，兩站共用4個(gè)標(biāo)靶用于拼接。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查看的結(jié)果，可以在該草圖中繪制出整個(gè)掃描現(xiàn)場(chǎng)的掃描儀站點(diǎn)位置、標(biāo)靶位置、標(biāo)靶編號(hào)和每站掃描的視場(chǎng)角范圍?；谶@個(gè)草圖，就能夠完成對(duì)這兩站掃描工程的外業(yè)掃描中站點(diǎn)位置的規(guī)劃。

表1 掃描日志模版

此外，在規(guī)劃階段，還可以制定一個(gè)掃描日志的模板。掃描日志可以記錄數(shù)據(jù)獲取階段的一些細(xì)節(jié)信息，有助于數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)人員對(duì)數(shù)據(jù)處理的理解，減少錯(cuò)誤和返場(chǎng)次數(shù)。表1是掃描日志的例子。針對(duì)圖1，在數(shù)據(jù)獲取階段，可以詳細(xì)記錄站點(diǎn)位置，測(cè)站的ID，每一站有幾次掃描，每一站掃描的標(biāo)靶名稱，該站掃描的范圍，備注信息和該站掃描在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的點(diǎn)云視圖名稱。這個(gè)掃描日志全面地記錄了外業(yè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)的重要和必要信息，一方面可以保證現(xiàn)場(chǎng)掃描按計(jì)劃有序進(jìn)行，另一方面也為后期數(shù)據(jù)處理時(shí)遇到問(wèn)題進(jìn)行查詢提供了依據(jù)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注記和現(xiàn)場(chǎng)草圖工具，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)用最少的站點(diǎn)數(shù)獲取最完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.時(shí)間規(guī)劃的方法

三維激光掃描系統(tǒng)工程規(guī)劃中的時(shí)間規(guī)劃，屬于項(xiàng)目管理中的時(shí)間管理一種。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)間規(guī)劃確保了整個(gè)工程能夠在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)完成。進(jìn)行時(shí)間規(guī)劃需要關(guān)注以下6個(gè)方面的因素:明確成果范圍、排列工程活動(dòng)次序、估算工程資源、估算活動(dòng)持續(xù)時(shí)間、制定進(jìn)度計(jì)劃。

成果范圍決定了所花費(fèi)的時(shí)間和人力成本，對(duì)于三維激光掃描系統(tǒng)工程而言，外業(yè)掃描的數(shù)據(jù)密度要求越高，其數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量會(huì)更大，也會(huì)增加后期業(yè)內(nèi)處理的工作量;而成果精度的不同也會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)處理時(shí)間比上的顯著差異。從目前的時(shí)間經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一般外業(yè)和內(nèi)業(yè)的處理時(shí)間比一般在1∶3～1∶5之間，即1天掃描的數(shù)據(jù)，根據(jù)成果的范圍不同，可能需要3～5 d的處理時(shí)間。在成果范圍明確了之后，可對(duì)整個(gè)掃描工程項(xiàng)目的活動(dòng)依次進(jìn)行排序，主要包括采集、拼接、建模和發(fā)布等幾個(gè)大的活動(dòng)。在排列完工程活動(dòng)次序之后，可估算整個(gè)掃描工程可以利用的所有資源，包括人員、設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境條件。上述工程資源進(jìn)行了估算之后，則可進(jìn)行每個(gè)工程活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間的估算。

由于在進(jìn)行時(shí)間估算的時(shí)候，會(huì)有不確定性的因素。因此，考慮這些不確定性因素或可能潛在的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)提高上述每個(gè)工程活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間估算的準(zhǔn)確性。這里可利用三點(diǎn)估算方法來(lái)提高估算的準(zhǔn)確性［3］:

TM最可能時(shí)間，基于最多的資源和可能發(fā)生的各種干擾，所得到的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間;

TO基于活動(dòng)的最好情況，所得到的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間;

TP基于活動(dòng)的最差情況，所得到的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

對(duì)上述3種估算進(jìn)行加權(quán)平均，來(lái)計(jì)算預(yù)期的工程活動(dòng)時(shí)間TE如下

上述公式計(jì)算出來(lái)的持續(xù)時(shí)間考慮了多種不確定性因素，因此會(huì)更加準(zhǔn)確地估計(jì)單個(gè)工程活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。

將上述所有持續(xù)時(shí)間匯總，制定進(jìn)度計(jì)劃，從而完成三維激光掃描系統(tǒng)的工程時(shí)間規(guī)劃。

四、結(jié)束語(yǔ)

三維激光技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外的研究正逐步展開，其應(yīng)用領(lǐng)域正不斷深入和擴(kuò)展。三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用多以工程的形式出現(xiàn)，涉及數(shù)據(jù)的采集和處理等多個(gè)流程，是一個(gè)系統(tǒng)工程。因此，作好工程規(guī)劃工作對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用至關(guān)重要。

本文通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)的工程規(guī)劃中的外業(yè)規(guī)劃和時(shí)間規(guī)劃，探討了進(jìn)行工程規(guī)劃的意義、內(nèi)容和方法。實(shí)際上，在工程實(shí)踐中，工程規(guī)劃涉及的內(nèi)容還很多，還有待于國(guó)內(nèi)外科研工作者的不斷研究、探索和總結(jié)。這些內(nèi)容有助于國(guó)內(nèi)外三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用和研究。

［1］ 李濱.徠卡三維激光掃描系統(tǒng)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008(6):72-73.

［2］ 李濱，李躍明，宋濟(jì)宇.地面三維激光掃描系統(tǒng)中的“五度”研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012(3):43-45.

［3］ 項(xiàng)目管理協(xié)會(huì).項(xiàng)目管理知識(shí)體系指南［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:150-151.