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摘要：分析三维激光扫描技术的基本原理，基于三维激光扫描技术，通过三维建模的方式对地下空间进行测绘。结合实际案例对该技术的应用情况进行综合分析评价，讨论实现地下空间的测绘精度、有效性提升的可能方向。
关键词：三维激光扫描技术；地下空间；三维建模
在城市地下空间快速发展的形势下，应用三维激光扫描技术，可提高地下空间的测绘的效率。三维激光扫描技术能突破单点测量效率低这一弊端，它通过非接触测量的方式获取被测对象的几何信息，基于点云数据快速分析和处理，实现地下空间的准确测绘。因此，研究三维激光扫描技术在地下空间三维建模中的实践操作，其从空间模拟、表面信息处理等角度进行优化的可能性，能提升地下空间三维建模的作业效率[1]。
1.三维激光扫描技术的基本原理分析
三维激光扫描技术通过非接触的方式，采用高速激光束对物体的表面信息进行扫描，记录密集点云数据。配合内业在计算机上的配套软件处理，可大面积、高分辨率地快速建立三维模型，从而实现对测绘对象的准确定位与分析[2]。在扫描获取的点云数据中建立扫描坐标系，以发射激光束的位置为坐标的原点，X轴为水平转动轴的零方向，Z轴为空间测绘中的天顶方向，Y轴与X轴、Z轴建立三维坐标关系，其坐标轴如下：
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图1 三维激光扫描点云坐标轴
其中， 为扫描中的竖直角，S是三维坐标原点与监测点之间的距离。搭建的扫表坐标如下：
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2.三维激光扫描技术在地下空间测绘中的应用流程
用三维激光扫描技术对地下空间进行扫描，是通过获取对象表面的点云数据，使用相关软件进行点云拼接，通过控制测量引入坐标，进而得出地下空间的表面状况，在此基础上实现快速的三维建模与分析[3]。建模应用流程如下：
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图2 三维激光扫描技术三维建模流程
使用三维激光扫描技术进行地下空间的三维建模的过程中，外业部分包括使用激光脉冲信号进行探测，采集对象表面的点云数据，以及通过控制测量获得控制点坐标以引入模型。在内业中，经过点云数据预处理（点云去噪、拼接和特征提取）建立模型，针对实际需求基于模型获取测绘成果，提升三维建模的效率[4]。在扫描时，根据对测绘成果的精度要求可设置扫描的分辨率和合理的扫描距离，控制获取的点云密度大小。为使得内业中各测站点云能够顺利拼接，可通过布设标靶、扫描公共特征点等方式。
3.案例分析
3.1工程概况
为验证三维激光扫描技术在实践中的应用效果，在该项目中，以地下车库为测绘对象，基于三维扫描技术为其构建出能够全面反映其搭建与设计三维模型，从而实现地下车库的精确测绘与空间分析。该地下车库总面积为11000m2，有两个出口。经现场勘察后，布设标靶并设站扫描，再通过内业软件对扫描数据进行处理，实现地下空间的三维建模与分析。最终结果的数据精度比较高，具有一定的应用及推广价值。
3.2数据采集
此次项目中，以地面为测绘基准，将地面基准导入到地下，通过网络PTK对平面坐标、高程等方面进行测试与分析。具体操作为在该地下车库的两个出入口位置分别张贴两对标靶纸，标靶位置经由对标靶中心的方向、激光束交角等方面进行综合分析确定，接着将免棱镜全站仪架设在地面控制点上，测量标靶中心的平面及高程坐标。标靶纸的中心点可以进行精准控制，在现有地面控制坐标的基础上，能对检验点进行使用与分析。在本次作业中采用徕卡三维激光扫描仪进行扫描，其测程为0.5～130m，扫描精度为3mm@10m，可以实现360°×300°的扫描视角，其扫描速率高，可以在1秒中内获取2000000个对象点云数据，实现高效作业。地下车库本身属于规则建筑，无需布设标靶作为拼接的特征点，内业时可利用墙角作为公共点来拼接各测站。通过应用ICP算法，可实现点云数据的处理分析。作业现场如下：
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图3 三维激光扫描作业图
3.3点云数据预处理
将采集到的点云数据导入到仪器配套的Cyclone软件进行处理，并利用过滤算法剔除原始点云中包含的粗差点，去噪后，对点云数据进行拼接与调整。对扫描中获取的图像进行几何纠正，将照片的RGB值赋到每个点云，从而匹配照片与点云数据。
3.4三维模型构建
数据预处理后，利用3dmax软件对点云进行建模与分析。首先将点云数据的原始格式，通过recap软件转换为rcs或者rcp格式，然后将数据加载进3dmax软件。地下空间的墙体、管线、钢结构等规则物体的自动化、半自动化建模，能够在edgewise软件里完成。建立的三维模型精度如下表：
表1 三维模型精度统计
如需获取纹理数据，则可以通过数码相机拍摄获得。拍摄时需避免逆光，在水平拍摄的基础上，尽量减小照片俯视、侧视、仰视的角度，使其接近正向。在对纹理进行处理的过程中，需综合分析透视关系、纹理细节、遮挡杂色，在3dmax中，利用人工交互的方式，对贴图进行逐层处理与控制。
3.5结果分析
在对地下空间进行三维建模的过程中，需综合计算分析数据，使平面误差、高程误差等满足三维建模的技术操作规范。三维激光扫描技术在实际应用中，可以根据实际需求对点云模型进行裁切。通过分割点云数据获得的地下空间的横向投影，生成二维平面图。基于点云数据建立的三维模型如下：
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图4 地下车库三维模型
4.结论
综上所述，在地下空间三维建模的实际操作中，利用三维扫描技术能够快速、大量地获取外业数据，从而大大缩短了作业时间、降低了地下空间作业的工作强度。后续内业人员能够使用其配套的内业处理软件高效地绘制出成果。应用这种技术得出的成果，模型精度高，局部纹理清晰。因此通过三维扫描技术进行建模与分析，能实现地下空间的综合建设水平的提升。
参考文献：
[1]孟庆年，张洪德，王智，胡玉祥，宗恒康.三维激光扫描技术在狭窄地下空间测量中的应用[J].测绘通报，2020（S1）：168-172.
[2]何江龙，李照永，侯至群，陈厚元，周四海.便携式三维激光扫描技术在城市地下空间信息化中的应用研究[J].电子测量技术，2020，43（14）：136-142.
[3]王凯时，胡正伟，赵富燕.三维激光扫描技术在地下空间三维建模中的应用[J].测绘地理信息，2020，45（03）：78-80.
[4]许洪林，顾正东.基于三维激光扫描技术的地下空间标高点采集研究[J].现代测绘，2019，42（06）：37-39.