危 遲

（武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司，北京 100830）

一、引 言

三維激光掃描技術(shù)是一種獲取城市三維空間數(shù)據(jù)的新手段，20世紀末出現(xiàn)后，該技術(shù)逐漸成為攝影測量、遙感等領(lǐng)域的研究熱點。按照載荷平臺的差異，三維激光掃描主要分為地面、車載和機載3類。其中，地面激光掃描儀如國外的Faro Focos3D、國內(nèi)的LS300等通常被安置在地面三腳架上，車載激光掃描儀如iScan移動測量系統(tǒng)等安置在汽車上，機載激光雷達主要在飛機、熱氣球等移動搭載平臺上應(yīng)用。

隨著光學(xué)、電子學(xué)的不斷發(fā)展，以及GPS技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、CCD影像及激光測量技術(shù)的發(fā)展與成熟，多平臺和多傳感器集成技術(shù)成為獲取地球空間信息的一種趨勢，在數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用方面，已經(jīng)不是簡單利用單一的點云數(shù)據(jù)或構(gòu)建地面數(shù)字模型，而是向多源數(shù)據(jù)融合及更深入的應(yīng)用發(fā)展。

以iScan移動測量系統(tǒng)為例，其裝載的激光掃描傳感器可實時獲取路測地物的三維幾何信息，360°全景相機可獲取大幅面的街景信息。將影像數(shù)據(jù)和三維激光點云數(shù)據(jù)進行融合處理，得到具有真實顏色信息的地物點云信息，從而在地物識別、分類、三維建模等方面發(fā)揮重要的作用。

二、激光點云與影像點云

三維激光點云是指由三維激光掃描儀采集，在同一空間參考系下表達目標空間分布和目標表面特性的海量點集合，它具有密度大、精度高、數(shù)據(jù)量大等特點，如圖1所示。

圖1 激光點云——按強度渲染

三維激光掃描儀利用發(fā)生激光器對物體進行測量，直接獲取物體表面的三維激光點云坐標數(shù)據(jù)，并返回地物反射信號的強度，但是難以獲得地物的光譜信息，這給三維激光點云數(shù)據(jù)的處理和理解帶來了很大困難。為了解決這個問題，可利用數(shù)碼相機對被測物體拍攝若干照片，利用數(shù)碼影像豐富的光譜信息來彌補三維激光點云的不足，將點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)進行配準，融合兩者信息，這就是影像點云數(shù)據(jù)。圖2所示為使用筆者所在單位的iScan移動測量系統(tǒng)獲取的影像點云數(shù)據(jù)。

圖2 影像點云——街景應(yīng)用場景

三、對比辨析

1.采集獲取

激光點云數(shù)據(jù)的采集硬件設(shè)施需要三維激光掃描儀。按照載荷平臺的不同，可以分為手動式、地面站式、車載移動式及機載激光點云數(shù)據(jù)。使用三維激光掃描儀對目標進行掃描，即可完成激光點云數(shù)據(jù)采集工作。與之相比，影像點云除了需要三維激光掃描儀外，還需要相機進行光譜信息的采集，獲取影像的數(shù)據(jù)。在實踐過程中，一般而言，針對室內(nèi)的小場景，可以使用掃描儀內(nèi)置相機進行采集，也可使用外置相機配合地面激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，如LS300地面站掃描儀；而對于室外的街景應(yīng)用場景，可以使用全景相機配合車載激光掃描系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集工作，如iScan系統(tǒng)使用360°高清全景相機。

2.可視表達

三維激光掃描儀對目標地物進行掃描，獲取目標點的距離及反射強度值，從而進行坐標解算，獲取目標表面的空間坐標，表現(xiàn)為三維空間中的“點云”。在計算機上進行渲染時，一般可以通過點云的強度信息、距離信息、高程信息等進行渲染，用來進行可視化表達。對于影像點云，狹義上的可視化表達一般將影像作為前景，點云作為背景，兩者進行疊置顯示，如百度的激光全景，其實質(zhì)是影像點云的一種，提供更佳的真三維體驗。

3.數(shù)據(jù)處理

激光點云數(shù)據(jù)處理過程，主要是基于點云數(shù)據(jù)的處理，包括多視測站點云數(shù)據(jù)的拼接、點云數(shù)據(jù)去噪、點云編輯、點云分類等，可使用點云預(yù)處理軟件完成。預(yù)處理完成后，再根據(jù)下階段具體應(yīng)用需求（如數(shù)字測圖、三維建模等）進行進一步的處理，從而獲取所需的成果。影像點云需要進行影像與點云的配準工作，計算出影像數(shù)據(jù)與點云數(shù)據(jù)之間的變換參數(shù)，完成信息融合，采用點云提供精度、影像提供辨識度的方式，獲取成果數(shù)據(jù)。

4.行業(yè)應(yīng)用

在數(shù)字城市三維建模領(lǐng)域，激光點云能夠從點云數(shù)據(jù)出發(fā)，重建實物的模型，提取相應(yīng)的幾何信息，真實地反映對象的尺寸大小，具有所見所得的量測功能。

在文化遺產(chǎn)保護行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，激光點云數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要有虛擬修復(fù)、文物變形監(jiān)測、文物測量建模、石窟石刻文物保護測繪、館藏文物保護與修復(fù)、大型文化遺產(chǎn)保護、文物體積計算、野外考古現(xiàn)場測量。

在地形勘測領(lǐng)域，主要包括地形測量、高陡邊坡滑坡監(jiān)測、潰壩監(jiān)測和堰塞湖調(diào)查、地質(zhì)和危巖體調(diào)查、巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計、復(fù)雜挖填方工程方量計算、壩體逆向工程建模等方面，激光點云相較于影像點云更加適用。

在互聯(lián)網(wǎng)街景地圖服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，由于激光點云數(shù)據(jù)的海量性特點，以及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要求，影像點云數(shù)據(jù)更加適用。通過一定的技術(shù)手段，將點云數(shù)據(jù)中包含的精確三維坐標信息轉(zhuǎn)換成小數(shù)據(jù)量的形式，同時配合影像數(shù)據(jù)提供的直觀信息，在街景地圖服務(wù)應(yīng)用場景下，發(fā)揮用武之地。

四、結(jié)束語

以GNSS、RS、GIS技術(shù)為代表的現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)，使測繪科學(xué)從理論到手段都發(fā)生了根本性變化，步入一個新階段。三維激光掃描技術(shù)作為一種先進的測繪手段，在各個行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍正在不斷擴大，其獲取的激光點云數(shù)據(jù)在實際的應(yīng)用場景中，根據(jù)不同的需求進行處理，可以轉(zhuǎn)換成為不同數(shù)據(jù)形式。激光點云與影像點云是三維掃描技術(shù)獲取的新型數(shù)據(jù)，兩者并無高低優(yōu)劣之分，只有適用應(yīng)用場景之不同，應(yīng)深入地挖掘數(shù)據(jù)的潛在信息，以便在各自的適用領(lǐng)域之內(nèi)提供更好的服務(wù)。