三維激光掃描系統的工程規劃

李 濱，王 佳

（1.北京大學遙感與地理信息系統研究所，北京100871;2.上海現代建筑設計（集團）有限公司歷史建筑保護設計研究院，上海200041）

一、三維激光掃描系統

三維激光掃描技術是測繪領域近年來出現的新技術，在國內越來越引起相關研究領域的關注。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、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集的大量獲取目標對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。該技術在文物古跡保護、建筑、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等各領域也有了很多的嘗試、應用和探索［1］。

三維激光掃描系統包括獲取數據的硬件和處理分析數據的軟件。硬件用于現實數據的采集，軟件則用于對數據采集的控制、原始數據的拼接、建模、紋理貼圖、線畫圖件提取和數據發布等功能。涉及的參數包括硬件和軟件的掃描距離、角度、精度、速度、穩定度等，需要根據不同的軟硬件的參數特性和工程需求，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的工作都可看做是一個系統的工程，不僅涉及硬件和軟件，還涉及數據處理流程的多方面。

二、三維激光掃描系統的工程規劃意義和內容

1.規劃的意義

三維激光掃描的工作是一個系統工程，按照流程，主要包括規劃、采集、拼接、建模、發布等5個大的流程環節，涉及外業數據的采集和內業數據的處理。因此必須在前期有個完整的規劃，才能保證掃描工作能夠在計劃(時間、精度、成本)規定的范圍內完成。掃描規劃的意義，就是通過合理的外業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濟上的利益最大化。

2.規劃的內容

三維激光掃描系統的工程規劃包括外業的掃描規劃和整個項目工作的時間規劃。

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，因而無法獲取數據，造成數據的缺失，形成點云中的空洞區。這些缺失的數據必須通過搬站多次掃描的方式進行彌補。而架設的站點的數量，決定了外業的工作時間和獲取的點云的數據量。由于點云數據是海量數據，每多一站的掃描，不僅帶來的是時間上的不經濟，會增加外業工作的時間和成本，更多的是大量點云數據的累積，對于后期的數據拼接和處理等增加了工作量，同時也增加了內業的處理時間。

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。控制點的選擇也需要在前期進行合理的規劃。控制點的選擇，既要項目滿足精度要求，又要有滿足現場通視性的要求，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，而不相互干擾。此外，現場掃描之前，標靶的擺放位置和擺放數量，以及標靶的命名規則，都需要前期有個規劃。

三維激光掃描系統的時間規劃則是基于掃描工程項目的成果需求，綜合考慮外業數據獲取時間與內業數據處理時間，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、三維激光掃描系統的工程規劃方法

1.外業規劃的方法

從外業來說，需要規劃的內容很多，包括標靶的命名、站點的選擇、控制點的布設、精度選擇、掃描日志記錄內容等。以下攫取幾個方面進行探討。

圖1 外業規劃草圖

首先，在進行外業規劃的時候，一般需要進行現場查看，并需要有詳細的現場注記和草圖，這兩個文件對于掃描工程非常重要。現場注記和草圖應該有一個包括掃描區域的平面圖，能顯示掃描儀和標靶的位置，以及每一站的標靶的名稱。另外，從掃描位置看出去的透視圖也應該畫一個，這有助于內業處理時了解數據獲取時的情況，尤其是在遇到類似于標靶編號錯誤等復雜的情況。圖1是一個規劃草圖的實例，在該掃描工程中，規劃共對建筑物(亭子)進行兩站數據掃描，兩站共用4個標靶用于拼接。結合現場查看的結果，可以在該草圖中繪制出整個掃描現場的掃描儀站點位置、標靶位置、標靶編號和每站掃描的視場角范圍。基于這個草圖，就能夠完成對這兩站掃描工程的外業掃描中站點位置的規劃。

表1 掃描日志模版

此外，在規劃階段，還可以制定一個掃描日志的模板。掃描日志可以記錄數據獲取階段的一些細節信息，有助于數據內業人員對數據處理的理解，減少錯誤和返場次數。表1是掃描日志的例子。針對圖1，在數據獲取階段，可以詳細記錄站點位置，測站的ID，每一站有幾次掃描，每一站掃描的標靶名稱，該站掃描的范圍，備注信息和該站掃描在點云數據中的點云視圖名稱。這個掃描日志全面地記錄了外業數據獲取時的重要和必要信息，一方面可以保證現場掃描按計劃有序進行，另一方面也為后期數據處理時遇到問題進行查詢提供了依據。

通過現場注記和現場草圖工具，我們就能夠實現用最少的站點數獲取最完整的點云數據。

2.時間規劃的方法

三維激光掃描系統工程規劃中的時間規劃，屬于項目管理中的時間管理一種。一般來說，時間規劃確保了整個工程能夠在預期的時間內完成。進行時間規劃需要關注以下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工程而言，外業掃描的數據密度要求越高，其數據獲取的時間會越長，相應的數據量會更大，也會增加后期業內處理的工作量;而成果精度的不同也會帶來數據處理時間比上的顯著差異。從目前的時間經驗來看，一般外業和內業的處理時間比一般在1∶3～1∶5之間，即1天掃描的數據，根據成果的范圍不同，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、設備和現場作業環境條件。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險，會提高上述每個工程活動的持續時間估算的準確性。這里可利用三點估算方法來提高估算的準確性［3］:

TM最可能時間，基于最多的資源和可能發生的各種干擾，所得到的活動持續時間;

TO基于活動的最好情況，所得到的活動持續時間;

TP基于活動的最差情況，所得到的活動持續時間。

對上述3種估算進行加權平均，來計算預期的工程活動時間TE如下

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

將上述所有持續時間匯總，制定進度計劃，從而完成三維激光掃描系統的工程時間規劃。

四、結束語

三維激光技術目前在國內外的研究正逐步展開，其應用領域正不斷深入和擴展。三維激光掃描系統的應用多以工程的形式出現，涉及數據的采集和處理等多個流程，是一個系統工程。因此，作好工程規劃工作對于整個系統的應用至關重要。

本文通過三維激光掃描系統的工程規劃中的外業規劃和時間規劃，探討了進行工程規劃的意義、內容和方法。實際上，在工程實踐中，工程規劃涉及的內容還很多，還有待于國內外科研工作者的不斷研究、探索和總結。這些內容有助于國內外三維激光掃描技術的應用和研究。

［1］ 李濱.徠卡三維激光掃描系統在文物保護領域的應用［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中的“五度”研究［J］.測繪通報，2012(3):43-45.

［3］ 項目管理協會.項目管理知識體系指南［M］.北京:電子工業出版社，2011:150-151.