利用三維激光掃描技術結合TopoLite軟件實現土地規劃應用

中國礦業大學環測學院 蘇世偉

北京則泰三維數字營造研究所 黃 姍 蔣 濤 孫德鴻

則泰三維技術應用專欄

利用三維激光掃描技術結合TopoLite軟件實現土地規劃應用

中國礦業大學環測學院 蘇世偉

北京則泰三維數字營造研究所 黃 姍 蔣 濤 孫德鴻

一、前 言

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

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

二、利用三維激光掃描技術采集空間地理數據

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，又稱為“實景復制技術”，它主要面向高精度逆向工程的三維建模與重構。項目使用徠卡ScanStation C10一體化高效掃描儀來獲取土地的數據信息，在后期數據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的優越性

激光掃描技術的發展為獲取高分辨率地球空間信息提供了全新技術基礎，它具有快速、大量采集空間點位信息的優勢，為快速建立物體三維影像模型提供了全新高效的技術手段。該技術能廣泛應用于景觀三維可視化、數字城市、軍事偵察、文物保護、測繪等領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，有著傳統測量技術所無法取代的優越性和其獨特之處:

1)重現三維客觀世界，并且呈現客觀物體相應的三維形狀、尺寸、色彩甚至紋理信息。

2)三維激光掃描技術通過對物體進行整體掃描、數據處理生成建筑物的三維模型。

3)三維激光掃描技術數據采樣率高。

4)具有實時性、動態性、主動性。

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

6)三維激光掃描技術具有精度高、密度大的特點。

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

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.土地空間數據的獲取

利用三維激光掃描儀獲取的是點云數據，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、強度等數據。

為了獲取廠區的三維數據，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項目中通過野外掃描獲取的整體點云數據。用三維激光掃描儀進行數據獲取的過程中，內置的數碼相機同步拍攝了彩色相片，在將數據導入專用軟件后，將點云數據與彩色相片進行擬合，掃描數據就變成了帶有豐富顏色信息的點云，可以清晰地展現出測區的原貌。

三、空間數據建模

利用三維激光掃描儀獲取水泥廠廠區的點云數據，并通過專用的內業處理軟件對點云數據進行拼接、坐標轉換、去噪等處理后，對點云數據進行建模(如圖2所示)，再通過計算機重構其三維數據模型，即可再現客觀事物的形態特征，快速地重構出目標的三維模型，并能獲得三維空間的線、面、體等各種制圖數據，為后期TopoLite軟件的三維空間查詢、分析和量測等提供了基礎數據。

圖1 整體點云圖

圖2 點云數據建模

另外，通過對獲取的點云數據進行建模，可以完備、全面地展現出場地的結構以及建筑物分布狀況，在土地重新規劃利用的時候，無須重新進行外業測量考察，即可以通過模型直觀地進行分析，為后期的土地管理和規劃提供了強大的數據基礎。

四、利用TopoLite軟件進行土地數據分析

1.TopoLite軟件特點

TopoLite軟件是北京則泰公司自主研發的新一代三維場景應用軟件，可方便地進行三維虛擬場景搭建和現實還原，支持廣泛的三維數據源，高真實度渲染引擎，并支持專門應用的定制，可用于單體產品、建筑物、工業設施、文物和遺產、工業設計等的展示，也可以用于小型工廠、城市、旅游區的簡單管理和展示。軟件有如下特點:

1)高精細三維模型數據的承載能力。可支持精細工業模型表達和建筑物內部細節表達，充分滿足工廠和建筑物管理的精細化要求。

2)高質量渲染，尤其對工業和建筑等高精細模型進行了專門的優化。

3)高效率數據調度。采用LOV技術保證了系統對海量數據調度的優化，減少用戶查看數據的等待和延誤。

4)對三維激光掃描進行專門支持，保證三維激光掃描數據成果的高效率導入，支持點云數據格式顯示，減少數據轉化的損失，節約時間。

2.利用TopoLite軟件分析空間數據

將完成廠區建模的點云及模型數據載入到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據分析。將系統內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，為土地的重新規劃和利用提供了翔實的數據資料，無須外業重新采集資料便可以便捷地進行建筑物的規劃與設計。

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據，并且可以同時加載點云數據和模型數據，軟件提供漫游操作模式，便于在三維空間查看和定位，直觀地展現規劃區域內所有的地物信息，在廠區后期的規劃設計中，提供了虛擬分析的依據。

五、結束語

三維激光掃描技術為土地重新規劃和應用提供了完整翔實的三維基礎測量數據。通過專業的數據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系，而且能描述和表達它們之間的垂向關系，結合TopoLite軟件實用的功能又可以對模型數據進行三維空間表達、分析和計算操作，最終實現了數據采集、建模、對土地的重新規劃和利用的一體化過程，為準確研究小范圍內土地利用特征、空間結構變化提供了便利。

(本專欄由則泰集團和本刊編輯部共同主辦)