摘要：激光掃描技術(shù)的應(yīng)用為城市設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)手段。本文首先介紹激光掃描技術(shù)的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，然后結(jié)合拉薩市東城區(qū)江蘇大道城市設(shè)計(jì)的實(shí)際項(xiàng)目闡述了激光掃描技術(shù)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(shù)在城市設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景和亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞：激光掃描：點(diǎn)云；城市設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN249

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0422(2009)05-0161-02

城市設(shè)計(jì)側(cè)重城市中各種關(guān)系的組合，建筑、交通、開放空間、綠化體系、文物保護(hù)等城市子系統(tǒng)交叉綜合，聯(lián)結(jié)滲透，是一種整合狀態(tài)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它的對象范圍很廣，不同對象范圍城市設(shè)計(jì)的要求與內(nèi)容也不一樣。當(dāng)城市設(shè)計(jì)中涉及到街區(qū)和保留主要建筑時(shí)，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(shù)的介入

2008年3月，南京大學(xué)建筑學(xué)院承擔(dān)了拉薩市東城區(qū)江蘇大道城市設(shè)計(jì)的工作。項(xiàng)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(dá)拉宮，在視覺上與布達(dá)拉宮的聯(lián)系十分鮮明。江蘇大道對布達(dá)拉宮有著良好的視覺線路，在江蘇大道城市設(shè)計(jì)的建筑控高中，應(yīng)繼續(xù)保持對布達(dá)拉宮的可視性。而現(xiàn)狀非常復(fù)雜，大部分建筑需要保留，同時(shí)新建的違章建筑嚴(yán)重影響了視線的貫通。由于沒有完備的建筑設(shè)計(jì)圖紙資料，我們需要采集江蘇大道兩側(cè)建筑的詳細(xì)信息，為以后的城市設(shè)計(jì)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(fèi)時(shí)費(fèi)力。

三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物及快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)，重構(gòu)整個(gè)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(gè)關(guān)鍵要素，因此為建筑保護(hù)與更新提供了真實(shí)準(zhǔn)確的三維模型。它已廣泛應(yīng)用于土地勘察、古建筑修復(fù)、文物保護(hù)、工廠改造、動(dòng)漫制作等領(lǐng)域。三維激光掃描的核心原理是激光測距，即通過測量兩點(diǎn)間激光傳輸所需時(shí)間求得間距。對掃描對象表面進(jìn)行密集多點(diǎn)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(yīng)器集成在一個(gè)鏡頭中，再以鏡頭為極坐標(biāo)系原點(diǎn)，控制鏡頭按照預(yù)設(shè)夾角圍繞水平、垂直兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)：按照一定時(shí)間間隔依次記錄激光反射到回光感應(yīng)器的數(shù)據(jù)，即可獲得周圍空間環(huán)境的多點(diǎn)測距采樣。掃描獲得的每點(diǎn)數(shù)據(jù)由3部分構(gòu)成：方位角、距離、回光強(qiáng)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(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如此海量的、有組織的點(diǎn)集被形象地稱為“點(diǎn)云”(Point Cloud)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)能以坐標(biāo)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(shè)計(jì)中，我們采用三維激光掃描儀對江蘇大道兩側(cè)的建筑進(jìn)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(diǎn)云包含所有建筑細(xì)部的坐標(biāo)信息，可在電腦中隨意移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、切片，便于測量，更可與原有的CAD圖紙進(jìn)行比對修改。項(xiàng)目中采用的是徠卡中遠(yuǎn)型三維激光掃描儀Scanstation 2，它的掃描距離可達(dá)300m，掃描精度達(dá)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(diǎn)設(shè)計(jì)

一般來說三維激光掃描儀很難從一個(gè)方向掃描一次便可得到目標(biāo)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了獲得建筑物表面的全方位點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須分多次進(jìn)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(diǎn)設(shè)置方案。站點(diǎn)設(shè)置的合理，可以顯著減少掃描的工作量。在項(xiàng)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(diǎn)之間的間距可以較大，充分發(fā)揮這款掃描儀的特點(diǎn)。各站掃描平均耗時(shí)1小時(shí)?？傆?jì)掃描時(shí)間約30個(gè)小時(shí)，大大減少了室外測量的工作。

2.2 掃描精度控制

掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，不能夠?qū)λ械哪繕?biāo)進(jìn)行巨細(xì)的掃描。需要根據(jù)不同的目標(biāo)，調(diào)整掃描精度。掃描儀會(huì)根據(jù)軟件環(huán)境設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行掃描，無需人工干預(yù)。項(xiàng)目中需要重點(diǎn)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(diǎn)之間的距離較大。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

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

3 數(shù)據(jù)的處理

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)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(huì)產(chǎn)生誤差很大的點(diǎn)(噪聲點(diǎn))。因此在數(shù)據(jù)處理的第一步，就應(yīng)利用相關(guān)軟件除去那些誤差大的噪聲點(diǎn)。在Cyclone軟件中，于各個(gè)視圖中選取主要對象外的噪聲點(diǎn)，一一進(jìn)行刪除，最后提取主要對象。這樣可以減少數(shù)據(jù)量，因?yàn)閽呙璧狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，如果不進(jìn)行處理，會(huì)影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)在CAD中的處理

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

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

(2)利用Cyclone軟件在AutoCAD中的插件CloudWorx進(jìn)行交互工作，優(yōu)點(diǎn)在于電腦運(yùn)行比較快，可以利用插件的功能對點(diǎn)云進(jìn)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(quán)的限制，只能在一臺(tái)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(shè)計(jì)中，采用第二種操作方式，將原有地形圖和設(shè)計(jì)后的圖紙采用外部調(diào)用的方式，在AutoCAD中與點(diǎn)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(dá)工具。三維激光掃描可以獲得街道全方位的立體空間，同時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Cyclone中可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的演示和觀察，對街道進(jìn)行實(shí)時(shí)的空間感受，為設(shè)計(jì)者提供了有利的設(shè)計(jì)依據(jù)。

利用點(diǎn)云進(jìn)行三維建模的方法主要有兩種：在Cyclone軟件中利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接建模和依照點(diǎn)云繪制的CAD圖紙進(jìn)行建模。設(shè)計(jì)中，在AutoCAD利用掃描的點(diǎn)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(shí)把沿街的新建建筑和布達(dá)拉宮的模型在AutoCAD中進(jìn)行準(zhǔn)確定位，使模型和點(diǎn)云的坐標(biāo)一致，然后導(dǎo)人掃描出的街道環(huán)境中。選取重要的道路節(jié)點(diǎn)觀察是否能夠看到布達(dá)拉宮，對設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。在成果表達(dá)方面，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)成果前后的對比，對最終的城市設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語

三維激光掃描系統(tǒng)是一項(xiàng)新興的測量技術(shù)，結(jié)合城市和建筑應(yīng)用來看，它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。對于城市精細(xì)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(dá)空間信息，在技術(shù)、設(shè)備以及開發(fā)應(yīng)用方面還有很多問題值得探討和研究。

參考文獻(xiàn)：

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