激光扫描三维方案分析

三维激光扫描仪采集制作地面实景三维模型可行性分析

1、三维激光扫描仪简介

三维激光扫描仪是一种通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器，是一种无接触式主动测量系统。

由于激光扫描仪获取实际场景数据方法的方便，简单和数据精度高等优点，所以近年来对采用激光扫描仪获取地面目标地物三维数据并进行处理引起了人们注意。另外，采集的三维数据在数字文物，城市规划，地形测量等方面有广阔的应用前景，

一般情况下，三维激光扫描分为定点三维激光扫描仪、车载三维激光扫描仪和机载三维激光扫描仪。机载三维激光扫描仪系统都单独使用脉冲飞行时间原理进行测距，

2、三维激光扫描仪应用于城市三维建模技术分析

机载激光雷达测量技术原理简介

机载Lidar 系统的组成包括：

（1）激光扫描仪，是一种主动遥感，用于测定传感器到地面的距离。

（2）高精度惯性导航仪（IMU），用于记录设备在工作过程中的姿态参数。

（3）GPS，包括机载GPS 和地面基站GPS，用于差分技术的全球定位系统，得到GPS 接受装置处的坐标信息。

（4）高分辨率的数码相机，拍摄高分辨率数码影像，用于制作正射影像；

为提供建筑物侧面纹理信息，还可以同时另配置两个数码相机进行

倾斜摄影。通过这四种技术的集成，可以快速地完成地面三维空间

地理信息的采集，通过数据预处理，便可得到具有坐标信息的激光

点云数据和影像数据。

数据预处理

结合IMU 记录的姿态参数、机载GPS 数据、地面基站GPS 观测数据、GPS 偏心分量、扫描仪和数码相机各自的偏心分量，进行GPS/IMU 联合解算，可以得到扫描仪及相机曝光瞬间的WGS84 坐标下的轨迹文件，进而快速确定激光点云的空间位置及影像的外方位元素。若需转换坐标系统，则通过一定的方法进行平面与高程的坐标转换。

使用商业处理软件，可以快速将地面数据与非地面数据分离，得到纯地表数据，生成DEM；初始的影像外方位元素一般达不到精度要求，利用纯地表数据对影像外方位元素通过寻找同名像点的方式进行校正，可以快速生成DOM。DEM 和DOM叠加在一起的三维地形模型，能够清晰地表达地形的高程信息及纹理信息，从而反映真实三维地形信息。利用激光点云数据和DOM 进行三维建筑模型建模，建立的三维建筑模型精度较高，特别是对一些比较复杂的建筑更为有效，能够快速还原城市建筑原貌。

车载激光三维扫描仪

车载激光扫描系统的组成和机载的类似，可以精确、快速获取城市建筑物、道路交通设施、隧道等地物的表面信息，非常适用于城市物体三维空间信息的快速精确获取和在此基础上的三维重建，然而点云不是GIS数据，也不是三维模型，要将大量离散的点处理为可使用的三维模型还需要一系列复杂的过程。现阶段针对车载激光点云三维重建的方法还主要依赖于人工交互或半自动化处理而且没有针对整个城市地物的三维重建方法。

车载三维激光扫描仪扫描数据在电脑上的实时显示

车载和机载对比：机载的三维重建更多的是对地形和建筑物的重建，其思想是需要先对数据进行分类，对地形和建筑物不同的重建，地形是直接构建平面狄洛尼角网，建筑物获得顶面信息后直接向下延伸到地面。和机载激光雷达相比，车载激光雷达具有点云密度高、采集方式灵活、能同时获得侧面近景影像的特点，

但由于点云中离散点数量巨大，直接提取建筑物几何特征较困难，更重要的是车载平台只能获取建筑物临街立面信息。这些问题限制了车载激光雷达在城市信息获取领域的应用。

3、三维激光扫描仪应用于城市三维建模存在的问题

（1）三维激光扫描仪售价太高，定点三维激光扫描仪在100万元以上，车载的在400万以上，机载的大概在1000万以上，且机载三维激光扫描仪需要大飞机承载，需要向有关部门申请空域，程序繁琐，难以满足普通化需求；

（2）仪器自身和精度的检校存在困难，目前检校方法单一，基准值求取复杂，精度评定不好；

（3）点云数据处理软件没有统一化，各个厂家都有自带软件，互不兼容；

（4）现阶段后处理软件还不成熟，对点云数据的三维重建主要依赖于人工交互或半自动化处理，费时费力。

（5）应用三维激光扫描仪进行三维建模会产生巨大的数据量，现有三维平台对大量数据的承载还存在一定的欠缺。

常用三维建模方法比较

（1）根据数码影像人工建模：参考拍摄的数码影像，对建筑物的长、宽、高进行估计，建立城市三维模型。这种方法建立的模型可能比较美观，但精度差，无法满足空间分析和量测。

（2）采用规划设计图纸或大比例尺地形图结合数码影像：收集城市建筑物的规划设计图纸，根据图上标注的尺寸、高度信息进行三维建模，建筑侧面纹理通过人工现场拍摄的数码影像进行贴图。这种方法模型精度可以得到保证，但模型制作和外业拍照工作量大，需要大量的人员投入。

（3）全数字摄影测量系统：利用航片或卫星图片获取建筑物的轮廓及顶部纹理，通过全数字摄影测量系统获取建筑物高度。这种方法基本能准确重构建筑物的三维轮廓，但精细度稍差。

推荐方案

结合XXX的需求，以及现状技术的发展情况，我们推荐贵单位建立所需区域的道路等三维场景模型时，采用以车载激光扫描采集测区的道路精确三维空间信息，以地面定点激光扫描作补洞和补缝，对道路两侧较远的区域采用无人机低空飞行获取带状高分影像和建立立体像对模型，生产高精度DEM和采集地物空间三维信息，从而建立测区的高精度三维城市模型。总体流程图如下：

本方案的特点：

1、道路等重点模型的精度高，可满足道路的三维设计要求。

2、建模内容完整，测区数据采集齐备，可在项目过程中形成DEM 、DOM 、DLG 及三维城市景观模型成果，为道路的设计及运营管理提供基础。

3、项目实施的效率适宜，可根据需要在合理的时间完成项目实施。

4、平台为自主开发平台，可根据需要设计管理和应用模块，并能通过专用网络进行可视化交互会审及设计。

5、费用合理，根据需要确保重要地物的空间精度用于设计，非重要地物（非设计）的可视化仿真度，合理节约了不必要的成本。

三维道路设计软件：已有国外比较成熟的商业道路设计软件，可在三维数据

生产DEM 及采集其余地物三维信息

道路及重点地物模型建道路三维可视化应用平台开发 车载激光扫描点云 重点地物地面扫描补洞

点云检查和预处理 无人机低空航拍

航片平差建立模型 点云细处理及CAD 交互建模 建立除点云生产部分以外模型

实地纹理采集

纹理拍照角纠正及处理

模型成果整合、集成、入库 相关属性整合录入

道路三维可视化管理应用系统