近年來，隨著三維激光掃描系統(tǒng)的普及，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，如古跡保護、遺址測繪、建筑測量、城市模型、水電大壩、滑坡變形監(jiān)測等行業(yè)都有涉及，它可以根據(jù)用戶的需要提供極為豐富的三維立體空間模型及三維定量分析，有著很高的社會經(jīng)濟效益。

＞＞圖1 RIEGL LMS-Z420i地面激光掃描系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的單點測量方式不同，三維激光掃描測量儀采用面掃描的測量方式，獲取被測量目標(biāo)表面大量的高精度三維點，滿足了高精度逆向工程對三維點的數(shù)據(jù)量的需求。作為現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)，三維激光掃描測量儀可以深入到復(fù)雜的環(huán)境和現(xiàn)場進行掃描操作，并直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則實體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到計算機中，從而快速重構(gòu)出掃描物體的三維模型。同時，由于搭載了高像素的數(shù)碼相機，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)不僅包含目標(biāo)的空間信息，而且記錄了目標(biāo)的反射強度信息和色彩灰度信息。通過對三維點云數(shù)據(jù)的后處理，可以實現(xiàn)分析、量測、仿真、模擬、監(jiān)測等功能。以地面三維激光掃描儀為例（圖1），它具有高達12000點每秒的數(shù)據(jù)采集速率，點位精度可以達到6mm，對于一般場景的全景掃描僅需十幾分鐘，且儀器連接、設(shè)置簡單，不需要復(fù)雜的操作。

激光點云成果可劃分為為兩類，其中，二維成果中，各種線畫圖、正射影像等均可用CAD等常用軟件打開并編輯，進行相關(guān)的量測等操作；所有的三維產(chǎn)品也可以導(dǎo)出為各種常見格式，用戶可以在一般三維軟件上對其進行瀏覽與分析。

MicroStation是一款多用途繪圖軟件，它支持多種不同硬體平臺，包 括 Intergraph、IBM、HP、SUN、DEC、SGI等工作站級電腦及PC與MAC等個人電腦，及多種操作系統(tǒng)，包括UNIX、linux及Windows。它所支持的硬體平臺及操作系統(tǒng)已覆蓋目前世界上所有較為知名的硬體廠商。因此，用戶可以根據(jù)使用需要及效率需求自由選擇所需的硬體平臺及操作系統(tǒng)。早在AutoCAD的用戶還處在2.5D的繪圖環(huán)境中時，MicroStation的用戶已然在完整的3D環(huán)境中優(yōu)游操作。而符合OSF/MOTIF標(biāo)準(zhǔn)的圖形化使用介面及其它眾多輔助作圖工具，MicroStation代表了新一代電腦輔助繪圖軟件的標(biāo)準(zhǔn)。同時，針對建筑、橋梁、管道等眾多領(lǐng)域的專業(yè)插件的開發(fā)與使用使其在工程設(shè)計施工領(lǐng)域獨占鰲頭。

正是基于MicroStation能夠處理數(shù)以億計的激光掃描點云數(shù)據(jù)，并且能夠兼容柵格影像的優(yōu)點，我們將其引入到激光掃描數(shù)據(jù)處理中。

深入應(yīng)用

常規(guī)測量手段在面對一些無法接觸、運算較為復(fù)雜的測量任務(wù)時稍顯薄弱，如剖面測量、多點高密度測量等。由于激光點云具有三維坐標(biāo)屬性，且點云密度極大（可以達到2cm的點云間隔），在一些需要利用坐標(biāo)進行分析計算的相關(guān)應(yīng)用中也極具使用價值；輔以高分辨率影像可以使點云效果更佳逼真。

以某橋梁（橋墩）變形檢測以及橋梁三維建模項目為例。首先導(dǎo)入掃描點云及掃描時拍攝的目標(biāo)影像，因為影像是經(jīng)過配準(zhǔn)的（即影像平面坐標(biāo)與掃描點云的三維坐標(biāo)相對關(guān)系經(jīng)過計算已經(jīng)得出），在MicroStation中影像與點云的位置是完全吻合的，顯示效果如下。這其中的主要操作對象還是激光點云，疊加影像是為了增強可視性，同時可以利用影像的清晰度和分辨率對點云處理進行質(zhì)量控制，畢竟，點云的數(shù)量始終是有限的，如果完全利用點云進行分析和建模等是會帶來一定的偏差（結(jié)構(gòu)拐角等地方），而影像的像素則記載了目標(biāo)表面的準(zhǔn)確屬性。

＞＞圖2 導(dǎo)入的激光點云與影像

＞＞圖3 剖面截取

在實際應(yīng)用過程中，用戶可以任意指定剖面截取的方向，使用Profile功能將點云沿指定方向進行移動（剪切）并可以在影像上準(zhǔn)確地了解到剖面的位置，截取出的剖面點云清晰，直觀。在本項目中由于橋墩是圓柱形，因此得到的剖面點云是一個圓形。將橋墩不同高程面上的剖面圓繪制出來以后就可以利用其圓心坐標(biāo)進行橋墩的偏移量計算了。若是需要測量橋拱的線性，只需要將剖面方向進行改動就可以迅速得到需要的剖面點云。

在截取了需要的剖面點云之后，還可以利用MicroStation`里功能強大的三維建模工具對其進行相關(guān)運算，建立整個目標(biāo)物的三維模型。如圖6。

＞＞圖4 橋拱線型

＞＞圖5 橋梁三維模型

創(chuàng)新.協(xié)作

水利水電工程是一項巨大的工程，包括前期勘探、測繪、設(shè)計、施工等階段，對于測繪專業(yè)來說，其主要任務(wù)是提供場地的地形地貌情況供后續(xù)設(shè)計等單位使用。傳統(tǒng)的測繪無外乎全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS等單點位采集處理方法，對于一些常規(guī)區(qū)域的測繪，這種作業(yè)模式是完全可行的。但是在一些要求比較高的地方，如施工樞紐區(qū)、進出水口等地方就稍顯吃力，畢竟這些樞紐區(qū)域要求的精度更高、更細。而且隨著三維設(shè)計要求的提出，測繪單位今后提供的測繪產(chǎn)品不再是以往的二維線畫圖，還必須提供區(qū)域內(nèi)三維地表模型，這就要求相關(guān)人員必須采用更新、更好的手段來改進作業(yè)方式，提高工作效率，滿足上游專業(yè)的要求。

在某水電站前期勘探過程中，利用RIEGL LMS-Z420i地面三維激光掃描儀對壩址樞紐區(qū)進行了全景掃描，采集了第一手的壩址區(qū)點云數(shù)據(jù)。由于每個設(shè)站采集到的點云范圍是有限的，對大場景區(qū)域來說，多站數(shù)據(jù)的拼接也是一個研究的熱點?，F(xiàn)在比較流行的是ICP（Iterative Closest Point）迭代最近點算法，該算法采用點集對點集的迭代方法，可以擬合出相應(yīng)的曲面。RIEGL的處理軟件中也對其進行了補充，即使用4對以上同名點的相關(guān)聯(lián)就可以將相鄰兩個設(shè)站的點云數(shù)據(jù)進行拼接，同時提供拼接誤差以供分析。在采集到的數(shù)以億計的點云中，有工作人員需要的地表點，也有很多噪音點和植被點，這些點對后續(xù)建模都是沒有用的，必須加以刪除。對飛離于地表面的離散噪音點，一般通過手工刪除就可以了，但是對植被點就需要通過一定的算法處理才能消除?，F(xiàn)有的植被剔除方法基本上都是迭代刪除法，其基本原理是在主體點云表面建立一個初始模型，利用點云與模型間的距離差值與設(shè)定好的閾值進行比較，如果差值大于給定的閾值，則將該點判定為植被點并進行刪除；否則就將該點視為地表點加以保留。通過逐步減小設(shè)定的閾值可以將地表面植被逐步刪除干凈。

經(jīng)預(yù)處理在得到完整的壩址區(qū)地表點云之后就可以導(dǎo)入Micro station經(jīng)三角網(wǎng)構(gòu)建該區(qū)域的表面模型，并通過紋理映射將采集到的影像粘貼到模型表面得到紋理模型。該模型的基礎(chǔ)仍然是三角網(wǎng)模型，但是添加了影像信息，效果更加直觀。

＞＞圖6 某水電站壩址區(qū)彩色點云模型

在后續(xù)的水利水電施工過程中，激光掃描儀也大有可為，例如：隧洞開挖檢測、滑坡體變形監(jiān)測等，都可以利用激光掃描儀對其進行處理分析。

通過上述幾個工程實例可以看出：以地面三維激光掃描儀采集目標(biāo)物表面三維點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，充分利用激光點云的三維坐標(biāo)屬性進行相關(guān)計算分析才是激光掃描點云應(yīng)用的精髓。我們可以直接利用點云坐標(biāo)進行基于數(shù)值的相關(guān)分析；也可以利用點云構(gòu)建目標(biāo)物三維模型，這樣的話，后續(xù)分析處理的平臺也由點轉(zhuǎn)為了面、體模型。這樣的數(shù)據(jù)加工可以擴大點云數(shù)據(jù)應(yīng)用的范疇，后續(xù)分析的手段也得到相應(yīng)的增加，產(chǎn)品形式也會更加豐富，相比于常規(guī)測量方法，激光掃描作業(yè)模式更經(jīng)濟、更高效、具有更高的作業(yè)安全系數(shù)。

在LIDAR領(lǐng)域，“點云提供精度、影像提供解析力”，在點云的基礎(chǔ)上加上相關(guān)影像，產(chǎn)品形式會更多樣化，比如正射影像、紋理模型等。這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)仍然是點云、影像、DEM等，但在成果可視化效果上會更直觀、更有力。

＞＞圖7 經(jīng)MicroStation三角化的壩址區(qū)DEM

＞＞圖8 壩址區(qū)紋理模型