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)的不斷進步和發(fā)展，出現(xiàn)了各種可以進行地理數(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、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目標空間分布和目標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)進行拼接、坐標轉(zhuǎn)換、去噪等處理后，對點云數(shù)據(jù)進行建模(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，無須重新進行外業(yè)測量考察，即可以通過模型直觀地進行分析，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)高精細三維模型數(shù)據(jù)的承載能力?？芍С志毠I(yè)模型表達和建筑物內(nèi)部細節(jié)表達，充分滿足工廠和建筑物管理的精細化要求。

2)高質(zhì)量渲染，尤其對工業(yè)和建筑等高精細模型進行了專門的優(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行瀏覽，并且可以進行水平、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)的對象進行分層管理，以便于查看和維護，同時軟件具有的標記功能可以用于直觀表達和解釋說明，并且可以對模型進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空間對象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達它們之間的垂向關(guān)系，結(jié)合TopoLite軟件實用的功能又可以對模型數(shù)據(jù)進行三維空間表達、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)