3D激光掃描技術(shù)在不動產(chǎn)測繪中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

奚剛

摘要：利用3D激光掃描技術(shù)，通過發(fā)射激光到目標(biāo)物體并接收反射光來獲取精確的三維數(shù)據(jù)。這項(xiàng)技術(shù)以其高精度、高速度和能夠捕捉復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，正在不動產(chǎn)測繪領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。在建筑物三維建模、宗地測量和房屋測繪等應(yīng)用中，3D激光掃描展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用面臨數(shù)據(jù)處理難度大、掃描精度受限、成本較高和技術(shù)普及度不足等挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：3D激光掃描技術(shù)??不動產(chǎn)測繪??三維建模??數(shù)據(jù)處理

Applications?and?Challenges?of?3D?Laser?Scanning?Technology?in?Real?Estate?Surveying?and?Mapping

XI?Gang

（Jining?Real?Estate?Registration?Center，?Jining，?Shandong?Province，?272000?China）

Abstract：?The?3D?laser?scanning?technology?is?used?to?emit?a?laser?to?a?target?object?and?receive?reflected?light?to?obtain?accurate?3D?data.?This?technology?is?playing?an?important?role?in?the?field?of?real?estate?surveying?and?mapping?with?its?advantages?of?high?precision，?high?speed?and?the?ability?to?capture?complex?structures.?3D?laser?scanning?has?demonstrated?its?unique?advantages?in?applications?such?as?the?3D?modeling?of?buildings，?parcel?surveys?and?house?surveying?and?mapping.?However，?the?application?of?3D?laser?scanning?technology?faces?challenges?such?as?difficult?data?processing，?limited?scanning?accuracy，?high?costs?and?insufficient?technology?popularization.

Key?Words：?3D?laser?scanning?technology;?Real?estate?surveying?and?mapping;?3D?modeling;?Data?processing

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，3D激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為不動產(chǎn)測繪領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性工具。該技術(shù)利用激光光束精確測量物體的距離，快速生成高精度的三維數(shù)據(jù)。其不僅提高了數(shù)據(jù)采集的效率，而且增強(qiáng)了模型的準(zhǔn)確性。在建筑物三維建模、宗地地形的細(xì)致測量以及房屋的室內(nèi)空間的準(zhǔn)確測繪上，該技術(shù)都顯示出無與倫比的能力。

1??3D激光掃描技術(shù)簡介

1.?1??3D激光掃描技術(shù)的原理

3D激光掃描技術(shù)又稱激光測距，或激光雷達(dá)（LiDAR），是一種利用激光光束對物體進(jìn)行精確測距，并產(chǎn)生高分辨率三維圖像的先進(jìn)測量技術(shù)。其技術(shù)核心是激光發(fā)射器發(fā)射脈沖或連續(xù)激光束照射目標(biāo)物體被探測器俘獲反射光信號。這些信號立即轉(zhuǎn)換成距離數(shù)據(jù)，由于激光速度已知，所以可以根據(jù)光線往返時(shí)間來判斷激光和物體之間的距離。通過準(zhǔn)確測量這些距離數(shù)據(jù)并結(jié)合掃描儀位置與角度信息可在計(jì)算機(jī)上重構(gòu)物體準(zhǔn)確的三維模型。為了獲得全面的三維圖像，激光掃描儀通常在水平和垂直方向上移動激光束，能夠覆蓋目標(biāo)物體的每一個(gè)角落?，F(xiàn)代3D激光掃描還結(jié)合了高精度的GPS和慣性測量單元（Inertial?Measurement?Unit，?IMU），以提供掃描儀位置和方向的精確信息，它對移動測量來說特別重要，如對車輛或飛行器進(jìn)行掃描。

1.2??3D激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢

一是能提供較傳統(tǒng)測量方法更準(zhǔn)確的效果。激光掃描可以測量幾毫米到幾厘米的距離，這使得建立極其精確的三維模型成為可能。二是3D掃描速度快，可以在很短的時(shí)間內(nèi)掃描更大范圍，極大地提升了數(shù)據(jù)采集效率。三是激光掃描對復(fù)雜不規(guī)則形狀物體有著出色的捕獲能力，能夠應(yīng)用于歷史建筑復(fù)原、工業(yè)部件檢測等領(lǐng)域。此外，對于測量易碎或危險(xiǎn)物體來說，3D激光掃描技術(shù)的非接觸性使其具有特別重要的價(jià)值，這是由于該技術(shù)能夠避免物體自身受到損傷。

2?3D激光掃描技術(shù)在不動產(chǎn)測繪中的應(yīng)用

工程建設(shè)項(xiàng)目中的不動產(chǎn)測繪，實(shí)地測量宗地及其房屋等定著物組成的不動產(chǎn)單元，包括權(quán)屬調(diào)查、宗地測量和房屋測繪，其中權(quán)屬調(diào)查中，涉及建筑物三維建模。

2.1?建筑物三維建模

在不動產(chǎn)測繪領(lǐng)域中，利用3D激光掃描技術(shù)對建筑物進(jìn)行三維建模，是一種效率很高、精度很高的手段。綜合激光掃描建筑物可得到具有豐富細(xì)節(jié)的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云，并可將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)迅速轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確的建筑物模型。該建模方法既捕捉了建筑物外觀尺寸，又準(zhǔn)確反映了建筑立面細(xì)節(jié)、結(jié)構(gòu)縫隙和建筑裝飾細(xì)微之處。對歷史建筑保護(hù)、修繕工作來說，3D激光掃描技術(shù)由于能捕捉建筑物準(zhǔn)確形態(tài)且無須與建筑物接觸，對掃描易損壞的古跡尤為重要，可以提供重要的數(shù)據(jù)支撐。另外，在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)和施工中，通過激光掃描實(shí)現(xiàn)的三維建模能夠?qū)崿F(xiàn)和建筑信息模型系統(tǒng)（Building?Information?Model，BIM）的無縫融合，從而為設(shè)計(jì)驗(yàn)證、施工監(jiān)控、后期維護(hù)等環(huán)節(jié)提供支撐。三維模型有助于工程師、建筑師施工前的仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少矛盾，降低返工風(fēng)險(xiǎn)。

2.2?宗地測量

3D激光掃描技術(shù)可以通過高精度掃描儀在空中或地面上迅速捕捉地形詳細(xì)三維數(shù)據(jù)并形成準(zhǔn)確的地形模型。它對工程規(guī)劃、地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害管理至關(guān)重要。激光掃描能夠穿透植被直接對地面進(jìn)行測量并獲取植被覆蓋區(qū)域內(nèi)的實(shí)際地形數(shù)據(jù)，這些都是傳統(tǒng)地形測量方法中極具挑戰(zhàn)的問題。與傳統(tǒng)測量方法相比，利用3D激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形測量不僅測量速度快，還可以提供更連續(xù)、更稠密的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以產(chǎn)生更精確、更細(xì)致的地形圖。這對于規(guī)劃道路、水利工程或?qū)樗L(fēng)險(xiǎn)、土地滑坡風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)特別有幫助。在建筑及土木工程項(xiàng)目中，精確的地形數(shù)據(jù)對土方量計(jì)算、規(guī)劃施工及評價(jià)工程可行性具有重要意義[1]。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理算法也在不斷升級，通過3D激光掃描得到的地形數(shù)據(jù)能夠更加快捷地?fù)Q成用戶友好格式，如數(shù)字地形模型（Digital?Terrain?Model，?DTM）、數(shù)字高程模型（Digital?Elevation?Model，?DEM），可以直觀表現(xiàn)地形的起伏變化，可直接應(yīng)用于各種專業(yè)地理信息系統(tǒng)（Geographic?Information?System，?GIS）。

2.3?房屋室內(nèi)空間測繪

3D激光掃描技術(shù)為房屋測繪提供了快速、準(zhǔn)確、有效的方法，可以捕獲房屋的室內(nèi)空間環(huán)境詳細(xì)的幾何信息。利用激光掃描儀可由專業(yè)人員對房間進(jìn)行全景掃描并幾乎瞬間捕捉到空間整體大小及結(jié)構(gòu)布局。它包括墻壁、天花板、地板、窗戶以及門的位置，甚至家具和其他室內(nèi)裝飾品的準(zhǔn)確位置和尺寸。此類資料的取得對設(shè)計(jì)師、建筑師及工程師都非常關(guān)鍵，因?yàn)檫@些資料可應(yīng)用于建筑改造、設(shè)施管理、空間規(guī)劃乃至消防安全分析等領(lǐng)域。在建筑翻新或改造工程中，采用3D激光掃描能夠保證新設(shè)計(jì)和既有結(jié)構(gòu)無縫連接，為建筑測量提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，降低施工過程中出現(xiàn)的誤差及工期延誤。除精確度外，3D激光掃描應(yīng)用于室內(nèi)測量還有一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，那就是它捕捉復(fù)雜形狀與構(gòu)造的能力。不論是曲線墻面、復(fù)雜樓梯造型，還是繁雜管道系統(tǒng)，3D掃描均能準(zhǔn)確記錄每一個(gè)細(xì)節(jié)，是后期設(shè)計(jì)修改及設(shè)施管理必不可少的資料。另外，施工團(tuán)隊(duì)還可利用所產(chǎn)生的高精度三維模型將整個(gè)建筑項(xiàng)目3D視覺化處理后再實(shí)際開工，從而預(yù)測出可能出現(xiàn)的各種矛盾并優(yōu)化施工方案。在房地產(chǎn)及租賃市場上，3D激光掃描技術(shù)也表現(xiàn)出了其特有的優(yōu)越性。租戶與買家可利用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)根據(jù)激光掃描所產(chǎn)生的三維模型進(jìn)行虛擬游覽，這種沉浸式體驗(yàn)往往能增強(qiáng)他們對空間的理解，從而加速決策過程。而對于建筑物的經(jīng)營與維修來說，準(zhǔn)確的室內(nèi)測量數(shù)據(jù)能夠幫助管理者對空間使用情況做出有效的分析、能源管理、維修規(guī)劃等。

3?3D激光掃描技術(shù)在不動產(chǎn)測繪中的挑戰(zhàn)

3.1?數(shù)據(jù)處理難度大

盡管3D激光掃描技術(shù)在不動產(chǎn)測繪中的應(yīng)用提供了前所未有的精準(zhǔn)度和細(xì)節(jié)，但它也帶來了數(shù)據(jù)處理的重大挑戰(zhàn)。首先，激光掃描產(chǎn)生的是大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)量極其龐大，對存儲設(shè)備的要求非常高。同時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要通過專業(yè)的軟件進(jìn)行處理才能轉(zhuǎn)化為有用的模型和圖形，這個(gè)轉(zhuǎn)換過程不僅計(jì)算密集，而且需要特定的技術(shù)和算法。此外，數(shù)據(jù)的后期處理需要高度的專業(yè)知識和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。工程師和技術(shù)人員必須能夠識別和解決數(shù)據(jù)中的噪聲、誤差以及可能由于掃描角度、距離和反射率等因素引起的不準(zhǔn)確之處。處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)以生成準(zhǔn)確的三維模型涉及點(diǎn)云的清理、配準(zhǔn)、建模，以及最終的渲染等一系列復(fù)雜的步驟。每一步都需要精心操作以確保最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如：在點(diǎn)云配準(zhǔn)過程中，需要將來自不同掃描位置的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確對齊，而這往往涉及復(fù)雜的算法和迭代過程[2]。在建模階段，將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型時(shí)，需要保留細(xì)節(jié)同時(shí)去除非必要的數(shù)據(jù)，平衡模型的準(zhǔn)確性和可管理性。

3.2?掃描精度受限

在不動產(chǎn)測繪領(lǐng)域，3D激光掃描技術(shù)雖然相比傳統(tǒng)方法有著顯著優(yōu)勢，但其掃描精度仍受多種因素的限制。設(shè)備本身的精度就有一個(gè)固有的限制。不同的掃描設(shè)備有著不同的精度等級，高精度掃描設(shè)備的成本通常較高，這可能會對預(yù)算敏感的項(xiàng)目構(gòu)成挑戰(zhàn)。掃描過程中，環(huán)境因素如光照條件、溫度、濕度以及掃描目標(biāo)物的表面材質(zhì)和顏色都可能影響最終的掃描精度。例如：反射性表面或透明物體可能導(dǎo)致激光反射或透射，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差。掃描距離也是精度的一個(gè)重要因素。激光掃描儀通常在最佳操作距離內(nèi)具有較高的精度，超出這個(gè)范圍，數(shù)據(jù)質(zhì)量可能會下降。在室外環(huán)境中，掃描距離較長時(shí)，大氣因素如霧、煙、塵埃、空氣湍流等都可能影響激光的傳播，進(jìn)而影響精度。對于復(fù)雜的場景，如擁擠的城市環(huán)境或多層次的室內(nèi)空間，掃描儀可能需要從多個(gè)角度進(jìn)行掃描以獲取完整的數(shù)據(jù)，這就需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)拼接和校正過程，而這些過程本身也可能引入誤差。

3.3?成本較高

高精度激光掃描設(shè)備自身價(jià)格較高，對于很多企業(yè)，特別是小型測繪公司而言都是相當(dāng)大的一筆投入。該技術(shù)不但需要較昂貴的硬件，而且需要與之相匹配的軟件以及較強(qiáng)的計(jì)算能力才能對所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而提高了系統(tǒng)的附加成本。數(shù)據(jù)處理軟件一般都要經(jīng)過采購專業(yè)授權(quán)，軟件更新與維護(hù)都要不斷花費(fèi)資金。此外，由于產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，需要大量的存儲空間以及良好的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，這不僅需要硬件投資，還包括了數(shù)據(jù)安全和備份的成本。除設(shè)備及軟件費(fèi)用外，運(yùn)行激光掃描設(shè)備及處理資料需有專業(yè)技術(shù)人員，而對這些人進(jìn)行培訓(xùn)及持續(xù)教育亦屬費(fèi)用[3]。專業(yè)人才短缺使這些技術(shù)人員通常報(bào)酬很高，從而進(jìn)一步提高總體成本。并且因?yàn)?D激光掃描屬于精密技術(shù)的一種，任何不恰當(dāng)?shù)牟僮鞫紩箶?shù)據(jù)的精度降低或測繪不成功，進(jìn)而帶來經(jīng)濟(jì)損失。

3.4?技術(shù)普及度不足

盡管該技術(shù)已被證明在精確度和效率上具有顯著優(yōu)勢，但其復(fù)雜性和對專業(yè)知識的要求較高，導(dǎo)致許多潛在用戶望而卻步。對大多數(shù)測繪專業(yè)人員來說，熟練掌握3D激光掃描技術(shù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及解釋結(jié)果等都需進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)與練習(xí)，但相關(guān)培訓(xùn)資源有限，尤其是發(fā)展中國家或相關(guān)技術(shù)未普及的國家。新技術(shù)在市場上被接受的程度，通常與技術(shù)被認(rèn)可的程度成正比。相對于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)來說，3D激光掃描技術(shù)還比較年輕，很多潛在用戶并不了解其潛力和適用范圍，所以這些用戶可能不愿意投資這項(xiàng)技術(shù)。業(yè)界對新技術(shù)認(rèn)可度高，標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程慢，也是導(dǎo)致普及度不高的因素[4-5]。缺乏統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與最佳實(shí)踐使激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中具有不確定性。

4?結(jié)語

3D激光掃描技術(shù)在不動產(chǎn)測繪中展示出強(qiáng)大的潛力和明顯的優(yōu)勢，但同時(shí)也面臨一系列挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展需要針對數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化、精度提升、成本控制以及技術(shù)推廣等方面進(jìn)行不斷的努力和創(chuàng)新，以期把這項(xiàng)先進(jìn)的測繪技術(shù)應(yīng)用到更廣闊的場景中。

參考文獻(xiàn)

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