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.上海現(xiàn)代建筑設(shè)計（集團）有限公司歷史建筑保護設(shè)計研究院，上海200041）

一、三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，在國內(nèi)越來越引起相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(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)對象的數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術(shù)突破。該技術(shù)在文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評估、船舶設(shè)計、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)實數(shù)據(jù)的采集，軟件則用于對數(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］。在實踐中，每一個三維激光掃描系統(tǒng)的工作都可看做是一個系統(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完整的規(guī)劃，才能保證掃描工作能夠在計劃(時間、精度、成本)規(guī)定的范圍內(nèi)完成。掃描規(guī)劃的意義，就是通過合理的外業(yè)掃描方案制訂和工程的時間進度計劃制定，以保證掃描項目工程達到時間和經(jīng)濟上的利益最大化。

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)劃和整個項目工作的時間規(guī)劃。

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

在一些大型的掃描項目中，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)?？刂泣c的選擇也需要在前期進行合理的規(guī)劃?？刂泣c的選擇，既要項目滿足精度要求，又要有滿足現(xiàn)場通視性的要求，還要求與掃描儀工作時能夠有效地配合，相互間可同時作業(yè)，而不相互干擾。此外，現(xiàn)場掃描之前，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，都需要前期有個規(guī)劃。

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

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)來說，需要規(guī)劃的內(nèi)容很多，包括標(biāo)靶的命名、站點的選擇、控制點的布設(shè)、精度選擇、掃描日志記錄內(nèi)容等。以下攫取幾個方面進行探討。

圖1 外業(yè)規(guī)劃草圖

首先，在進行外業(yè)規(guī)劃的時候，一般需要進行現(xiàn)場查看，并需要有詳細(xì)的現(xiàn)場注記和草圖，這兩個文件對于掃描工程非常重要?，F(xiàn)場注記和草圖應(yīng)該有一個包括掃描區(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，這有助于內(nèi)業(yè)處理時了解數(shù)據(jù)獲取時的情況，尤其是在遇到類似于標(biāo)靶編號錯誤等復(fù)雜的情況。圖1是一個規(guī)劃草圖的實例，在該掃描工程中，規(guī)劃共對建筑物(亭子)進行兩站數(shù)據(jù)掃描，兩站共用4個標(biāo)靶用于拼接。結(jié)合現(xiàn)場查看的結(jié)果，可以在該草圖中繪制出整個掃描現(xiàn)場的掃描儀站點位置、標(biāo)靶位置、標(biāo)靶編號和每站掃描的視場角范圍?；谶@個草圖，就能夠完成對這兩站掃描工程的外業(yè)掃描中站點位置的規(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)人員對數(shù)據(jù)處理的理解，減少錯誤和返場次數(shù)。表1是掃描日志的例子。針對圖1，在數(shù)據(jù)獲取階段，可以詳細(xì)記錄站點位置，測站的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云數(shù)據(jù)中的點云視圖名稱。這個掃描日志全面地記錄了外業(yè)數(shù)據(jù)獲取時的重要和必要信息，一方面可以保證現(xiàn)場掃描按計劃有序進行，另一方面也為后期數(shù)據(jù)處理時遇到問題進行查詢提供了依據(jù)。

通過現(xiàn)場注記和現(xiàn)場草圖工具，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)用最少的站點數(shù)獲取最完整的點云數(shù)據(jù)。

2.時間規(guī)劃的方法

三維激光掃描系統(tǒng)工程規(guī)劃中的時間規(guī)劃，屬于項目管理中的時間管理一種。一般來說，時間規(guī)劃確保了整個工程能夠在預(yù)期的時間內(nèi)完成。進行時間規(guī)劃需要關(guān)注以下6個方面的因素:明確成果范圍、排列工程活動次序、估算工程資源、估算活動持續(xù)時間、制定進度計劃。

成果范圍決定了所花費的時間和人力成本，對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)獲取的時間會越長，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量會更大，也會增加后期業(yè)內(nèi)處理的工作量;而成果精度的不同也會帶來數(shù)據(jù)處理時間比上的顯著差異。從目前的時間經(jīng)驗來看，一般外業(yè)和內(nèi)業(yè)的處理時間比一般在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的處理時間。在成果范圍明確了之后，可對整個掃描工程項目的活動依次進行排序，主要包括采集、拼接、建模和發(fā)布等幾個大的活動。在排列完工程活動次序之后，可估算整個掃描工程可以利用的所有資源，包括人員、設(shè)備和現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境條件。上述工程資源進行了估算之后，則可進行每個工程活動的持續(xù)時間的估算。

由于在進行時間估算的時候，會有不確定性的因素。因此，考慮這些不確定性因素或可能潛在的風(fēng)險，會提高上述每個工程活動的持續(xù)時間估算的準(zhǔn)確性。這里可利用三點估算方法來提高估算的準(zhǔn)確性［3］:

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

TO基于活動的最好情況，所得到的活動持續(xù)時間;

TP基于活動的最差情況，所得到的活動持續(xù)時間。

對上述3種估算進行加權(quán)平均，來計算預(yù)期的工程活動時間TE如下

上述公式計算出來的持續(xù)時間考慮了多種不確定性因素，因此會更加準(zhǔn)確地估計單個工程活動的持續(xù)時間。

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

四、結(jié)束語

三維激光技術(shù)目前在國內(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流程，是一個系統(tǒng)工程。因此，作好工程規(guī)劃工作對于整個系統(tǒng)的應(yīng)用至關(guān)重要。

本文通過三維激光掃描系統(tǒng)的工程規(guī)劃中的外業(yè)規(guī)劃和時間規(guī)劃，探討了進行工程規(guī)劃的意義、內(nèi)容和方法。實際上，在工程實踐中，工程規(guī)劃涉及的內(nèi)容還很多，還有待于國內(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)在文物保護領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.測繪通報，2008(6):72-73.

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

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