中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)測學(xué)院 蘇世偉

北京則泰三維數(shù)字營造研究所 黃 姍 蔣 濤 孫德鴻

則泰三維技術(shù)應(yīng)用專欄

利用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合TopoLite軟件實現(xiàn)土地規(guī)劃應(yīng)用

中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)測學(xué)院 蘇世偉

北京則泰三維數(shù)字營造研究所 黃 姍 蔣 濤 孫德鴻

一、前 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對土地的合理利用需要不斷作出長期安排和合理規(guī)劃，使得土地能夠滿足未來發(fā)展的需要。然而，傳統(tǒng)的技術(shù)手段中，每次土地的重新規(guī)劃都需要進(jìn)行一次大規(guī)模的地面調(diào)查和數(shù)據(jù)測量，耗費了大量的人力、物力、財力以及時間，隨著測地技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了各種可以進(jìn)行地理數(shù)據(jù)分析處理的計算機系統(tǒng)，可以將大量的空間地理數(shù)據(jù)存儲在計算機中，并且可以在后期土地重新規(guī)劃和利用中進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、分析、運算、處理以及圖形顯示，從而免去了大量繁重復(fù)雜的外業(yè)測量工作。

本文以千山集團在哈爾濱市水泥廠部分廠區(qū)的改建項目為例，介紹利用三維激光掃描技術(shù)來采集空間地理數(shù)據(jù)，并利用TopoLite軟件進(jìn)行后期土地數(shù)據(jù)分析和量測來實現(xiàn)土地的重新規(guī)劃和利用。

二、利用三維激光掃描技術(shù)采集空間地理數(shù)據(jù)

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，它主要面向高精度逆向工程的三維建模與重構(gòu)。項目使用徠卡ScanStation C10一體化高效掃描儀來獲取土地的數(shù)據(jù)信息，在后期數(shù)據(jù)處理時借助計算機軟件，將物體的空間三維信息描述出來，更可以依此重建出實體表面模型。

1.三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)越性

激光掃描技術(shù)的發(fā)展為獲取高分辨率地球空間信息提供了全新技術(shù)基礎(chǔ)，它具有快速、大量采集空間點位信息的優(yōu)勢，為快速建立物體三維影像模型提供了全新高效的技術(shù)手段。該技術(shù)能廣泛應(yīng)用于景觀三維可視化、數(shù)字城市、軍事偵察、文物保護(hù)、測繪等領(lǐng)域的空間信息快速獲取。三維激光掃描能夠快速準(zhǔn)確地獲取物體表面的三維信息，有著傳統(tǒng)測量技術(shù)所無法取代的優(yōu)越性和其獨特之處:

1)重現(xiàn)三維客觀世界，并且呈現(xiàn)客觀物體相應(yīng)的三維形狀、尺寸、色彩甚至紋理信息。

2)三維激光掃描技術(shù)通過對物體進(jìn)行整體掃描、數(shù)據(jù)處理生成建筑物的三維模型。

3)三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采樣率高。

4)具有實時性、動態(tài)性、主動性。

5)無須人為接觸被測量物體，廣泛應(yīng)用于危險領(lǐng)域以及測繪人員不可達(dá)到位置的測量。

6)三維激光掃描技術(shù)具有精度高、密度大的特點。

7)激光掃描測量技術(shù)作業(yè)周期快，易于更新，時效性強，同時直接獲取數(shù)字距離信號。

8)無須可見光照明，全天候進(jìn)行實時觀測，工作效率高，有效工作時間長。

2.土地空間數(shù)據(jù)的獲取

利用三維激光掃描儀獲取的是點云數(shù)據(jù)，點云是在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面光譜特性的海量點集合，包括位置、方位/角度、距離、時間、強度等數(shù)據(jù)。

為了獲取廠區(qū)的三維數(shù)據(jù)，該項目采用的是徠卡ScanStation C10一體化高效掃描儀，掃描速率達(dá)到了50 000點/s，全景掃描效率更高。圖1為哈爾濱市水泥廠廠區(qū)項目中通過野外掃描獲取的整體點云數(shù)據(jù)。用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的過程中，內(nèi)置的數(shù)碼相機同步拍攝了彩色相片，在將數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用軟件后，將點云數(shù)據(jù)與彩色相片進(jìn)行擬合，掃描數(shù)據(jù)就變成了帶有豐富顏色信息的點云，可以清晰地展現(xiàn)出測區(qū)的原貌。

三、空間數(shù)據(jù)建模

利用三維激光掃描儀獲取水泥廠廠區(qū)的點云數(shù)據(jù)，并通過專用的內(nèi)業(yè)處理軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去噪等處理后，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模(如圖2所示)，再通過計算機重構(gòu)其三維數(shù)據(jù)模型，即可再現(xiàn)客觀事物的形態(tài)特征，快速地重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型，并能獲得三維空間的線、面、體等各種制圖數(shù)據(jù)，為后期TopoLite軟件的三維空間查詢、分析和量測等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 整體點云圖

圖2 點云數(shù)據(jù)建模

另外，通過對獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，可以完備、全面地展現(xiàn)出場地的結(jié)構(gòu)以及建筑物分布狀況，在土地重新規(guī)劃利用的時候，無須重新進(jìn)行外業(yè)測量考察，即可以通過模型直觀地進(jìn)行分析，為后期的土地管理和規(guī)劃提供了強大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

四、利用TopoLite軟件進(jìn)行土地數(shù)據(jù)分析

1.TopoLite軟件特點

TopoLite軟件是北京則泰公司自主研發(fā)的新一代三維場景應(yīng)用軟件，可方便地進(jìn)行三維虛擬場景搭建和現(xiàn)實還原，支持廣泛的三維數(shù)據(jù)源，高真實度渲染引擎，并支持專門應(yīng)用的定制，可用于單體產(chǎn)品、建筑物、工業(yè)設(shè)施、文物和遺產(chǎn)、工業(yè)設(shè)計等的展示，也可以用于小型工廠、城市、旅游區(qū)的簡單管理和展示。軟件有如下特點:

1)高精細(xì)三維模型數(shù)據(jù)的承載能力。可支持精細(xì)工業(yè)模型表達(dá)和建筑物內(nèi)部細(xì)節(jié)表達(dá)，充分滿足工廠和建筑物管理的精細(xì)化要求。

2)高質(zhì)量渲染，尤其對工業(yè)和建筑等高精細(xì)模型進(jìn)行了專門的優(yōu)化。

3)高效率數(shù)據(jù)調(diào)度。采用LOV技術(shù)保證了系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)調(diào)度的優(yōu)化，減少用戶查看數(shù)據(jù)的等待和延誤。

4)對三維激光掃描進(jìn)行專門支持，保證三維激光掃描數(shù)據(jù)成果的高效率導(dǎo)入，支持點云數(shù)據(jù)格式顯示，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的損失，節(jié)約時間。

2.利用TopoLite軟件分析空間數(shù)據(jù)

將完成廠區(qū)建模的點云及模型數(shù)據(jù)載入到TopoLite軟件，利用TopoLite軟件可以對場地的三維模型進(jìn)行瀏覽，并且可以進(jìn)行水平、垂直、變向等距離的量測(如圖3所示)和三維空間的體量數(shù)據(jù)分析。將系統(tǒng)內(nèi)的對象進(jìn)行分層管理，以便于查看和維護(hù)，同時軟件具有的標(biāo)記功能可以用于直觀表達(dá)和解釋說明，并且可以對模型進(jìn)行任意的剖切來分析和查看。涵蓋了諸多實用功能的TopoLite軟件，通過對土地的后期分析和量測，為土地的重新規(guī)劃和利用提供了翔實的數(shù)據(jù)資料，無須外業(yè)重新采集資料便可以便捷地進(jìn)行建筑物的規(guī)劃與設(shè)計。

圖3 距離量測功能

另外，TopoLite軟件可以承載小范圍局部的影像和高程數(shù)據(jù)，并且可以同時加載點云數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)，軟件提供漫游操作模式，便于在三維空間查看和定位，直觀地展現(xiàn)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)所有的地物信息，在廠區(qū)后期的規(guī)劃設(shè)計中，提供了虛擬分析的依據(jù)。

五、結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)為土地重新規(guī)劃和應(yīng)用提供了完整翔實的三維基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)。通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理過程所建立的三維模型不但能夠表達(dá)空間對象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系，結(jié)合TopoLite軟件實用的功能又可以對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間表達(dá)、分析和計算操作，最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、建模、對土地的重新規(guī)劃和利用的一體化過程，為準(zhǔn)確研究小范圍內(nèi)土地利用特征、空間結(jié)構(gòu)變化提供了便利。

(本專欄由則泰集團和本刊編輯部共同主辦)