阮晓东

随着国内产品进入发展成熟期，三维激光扫描技术的推广正在引起测量领域的又一次革命

三维激光扫描技术是一种新型的测量技术，它是基于激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器技术等多种技术集成的精密产品。这种技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。经过了十多年的培育，目前三维激光扫描的市场正在迅速展开，特别是智慧城市、虚拟现实等概念的出现，让该技术广泛应用于文物保护、土木工程、工业测量、隧道验收、数字城市建设等领域中。随着国内产品进入发展成熟期，三维激光扫描技术的推广正在引起测量领域的又一次革命。

不一样的三维扫描考古

2015年到2016年间，中国考古界的一件大事是位于江西省南昌市新建区大塘坪乡的西汉海昏侯墓的发掘。这座西汉大墓考古发掘是目前我国发现的面积最大、保存最好、内涵最丰富的汉代侯国聚落遗址，也是几十年来秦汉考古中文物数量最多的一个，超过马王堆汉墓。西汉海昏侯墓的整个考古工作在科技手段上也是超一流的，并达到了前所未有的高度。有超过40余名顶尖考古专家参加了对南昌西汉大墓发掘工作，并认为西汉海昏侯墓的发掘“并不只是一个项目，而是一个工程，将作为里程碑式的工程”。

在这场规模浩大的文物发掘、保护和清理的过程中，有一项前沿技术应用频繁，那就是三维激光扫描技术。考古人员在整个发掘中，采用三维技术扫描测绘和记录，不但对墓地进行整体激光三维扫描，在主墓室尤其是回廊部分还采用逐层清理、逐层扫描方式，全程跟踪发掘、记录。另外在文物出土后，每件文物都进行了高精度三维激光扫描，以确保最真实地留存文物信息，并能快速制图、快速分析。

可以说，今天的考古过程已经通过多种技术手段实现了发掘现场全程数字化、影像化、科学化。特别是三维激光扫描技术，具有重要的作用。海昏侯墓考古领队杨军表示，“通过三维扫描，一两个小时就能完成一件文物在提取之前的工作。最关键的是，取得了三维数据和成像后，相当于建立了一个文物档案，有助于文物的修复工作和今后展览展示的场景复原。”

此外，三维激光扫描技术还用于大范围地考古调查。

比如在2016年1月，辽宁省文物考古研究所就运用机载激光扫描测绘技术对锦州市北镇医巫闾山遗址区进行考古调查，确认了医巫闾山150平方公里的重大辽代遗址，发现了100多处人工遗迹疑似点。此次机载激光考古，是在三维GIS、虚拟现实和计算机技术的支持下，搭建三维可视化成果管理系统。该系统可以按照时间叠加各种考古资料，进行遗址、墓葬等信息定位查询、量算和分析，为遗址规划考古发掘、遗址展示以及管理提供全可视化的三维考古平台支持，并提供一个大遗址文物分布和保护情况展示平台。

在谈及三维扫描系统的应用时，重庆市文化遗产研究院的专家表示，他们运用三维扫描、数字建模等技术，获取大量珍贵数据资源，对文物遗迹的测绘、存储、研究起到重要促进作用。比如可以对器物进行扫描，如对忠县花灯坟墓群出土乌杨阙陶俑的扫描；还可以对遗迹进行扫描，如对合川钓鱼城、千佛岩摩崖造像、慈云寺遗址等10余处遗址的扫描。这种扫描方便了文物的数字复原、三维模型建构、三维动画、数字资料交汇等工作，另外对遗址数据库建立、数字研究、规划保护、虚拟修复、虚拟展示等工作的开展有重要意义。

也有研究所表示，他们正在，应用三维扫描、数字模型技术，对旧石器、汉代崖墓开凿等人类行为痕迹进行微痕考古研究，实现在立体、动态、三维状态对人类行为痕迹的观察研究。

如今，应用三维扫描系统进行考古研究的研究机构越来越多。笔者统计发现，中国需要三维扫描系统的研究机构约有6000家左右，其中中国到目前有4000家博物馆，每家博物馆都需要三维扫描系统对文物进行系统三维数据提取和成像；另外，每个省都有考古研究所，很多省会城市也建设有市级考古所，如郑州、广州、武汉等，中国共有考古所数量约300多家；另外各高校也是不可忽视的力量，如北大、山大、吉大、中大、武大和西北大学等近50多家高校也建设有自己的考古研究所和考古队，这些研究机构需要的三维扫描仪也多达上千台。

三维激光扫描助力智慧城市建设

随着我国社会的不断发展，城市将承载越来越多的人口，我国正处于城镇化加速发展的时期，部分地区“城市病”问题日益严峻。为解决城市发展难题，实现城市可持续发展，建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流。

2016年4月，发改委规划司司长徐林表示，“十三五”时期内，将有针对性地组织100个城市大力推进新型智慧城市建设，开展智慧城市建设效果评价工作，分行业、分领域选取一批有代表性的智慧城市优秀案例，以点带面，促进城镇化发展质量和水平全面提升。2016年是“十三五”的开局之年，是“十三五”规划的政策落地年，智慧城市与发展正在驶入“快车道”。

智慧城市包括智能交通、智能医疗、智能家居等多个方面。而要实现智慧城市，首先是要形成城市的立体形态信息，即建立三维数字城市信息数据库，将真实城市的关键物理信息（道路、房屋、桥梁等的位置、空间结构等信息）提取出来，通过数字化、模拟仿真等方式形成城市的三维地图，并通过将管理信息（如房屋使用、人口、电力水力分布等信息）与城市三维立体图像结合，实现对真实城市的智能管理。

三维激光扫描将以强大的技术来支撑智慧城市建设，目前已经有三十多个城市利用三维激光扫描来建设数字城市三维模型，以全面实现城市三维空间信息的展示、管理、应用和共享。

比如昆明市委、市政府投资金额约2000万元建立的昆明数字沙盘，就是通过采用三维激光扫描、遥感、地理信息系统、三维仿真等高新技术，在传统的借助地形图、影像图、DEM、现场拍照采集纹理制作模型的基础上，将激光点云数据应用于三维模型的高度校正，实现了人工与科技的结合，既保证了三维模型数据的精美度，同时也保证了模型数据的准确性。

这份三维模型建成了昆明市域内约600平方公里的城市现状模型和115平方公里的规划方案模型，成为国内最大面积的数字城市三维模型项目。城市现状模型范围涵括盘龙区、官渡区、五华区、西山区、呈贡区、空港区六个行政区的主要建成区域；三维模型种类包括建筑、地面、道路、水系、植被及相关市政设施六类要素模型的人工建模；根据使用情况及应用情况将三维模型分为精细模型、标准模型、简单模型三种等级精度。通过数字沙盘“空间屏”与“信息屏”的双屏联动和同步展示，建立起一个可交互操作的实时虚拟现实环境，既能全面实现动态演示、实时更新、快速查询等功能，又能最大限度地生动展现昆明城市建设和城市发展远景。

据统计，全国已有30个省、自治区、直辖市的150多个城市开展了数字城市建设，其中80多个城市已经建成三维模型，带动各地基础测绘投入约25亿元。未来，中国每年还将有30至50个城市纳入数字城市和智慧城市建设计划，三维激光扫描设备和技术都面临广阔的发展空间。

三维激光扫描技术广泛的应用领域

三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法，能够高效率地提供被扫描物体表面的三维点云数据，获取高精度、高分辨率的全息数字模型。随着信息技术研究的不断深入，以及智慧城市、虚拟现实等概念的出现，传统的测量方式已经无法满足当今的测绘需求。而拥有高速、高精度的三维激光扫描技术正在越来越多地应用到测量工作中。并在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域有了越来越广泛的运用。

如果三维激光扫描技术与无人机技术结合，可以建立数字化的三维实景模型。通过高空拍摄，三维激光扫描仪可在极短的时间内获取各种复杂环境及结构的详细三维坐标信息，大量的测量点形成数据点云，通过软件对获取的点云进行处理，并创建网格数据，可以计算体积，创建剖面和横截面，进行三维重构，目前这种技术已经部分应用于地形勘测，特殊环境下三维测量，建筑测绘，矿山林场体积和面积测量， 隧道、涵洞及桥坝监测等等。

再比如石油化工、氯碱化工工厂中的管线十分复杂，人工提取的难度较大，且工作量较大。 另外这些工厂的管线包含很多无法进行自动提取的异形结构，传统的三维设计软件很难在如此庞大的数据中快速的进行模型提取。应用三维激光扫描技术，则可以实现对点云数据中管道模型的快速提取。尤其在管线密布的区域，手工提取十分复杂的情况下，三维激光扫描的优势尽显无疑。

三维激光扫描基于强大的识别算法，可自动识别 90%以上的管道数据并直接提取出管道模型。整个过程完全自动化，排除了人为控制的因素。2016年，包括重庆市特检院组织管道检验研究中心等多家专业管道检验机构已经购入三维激光扫描仪，以便为建立用户压力管道信息库、实现工厂设备信息化管理系统提供第一手数据材料，提高定期检验效率。

最近，三维激光扫描技术在古建筑保护应用成为热点。

比如寺庙是我国的艺术瑰宝库，也是我国悠久历史文化的象征。有效的进行资料存档对于寺庙的维修、保护、文化传承、都具有重要的意义。三维激光技术用于寺庙的数字化存档，无论从精度、效率、成果等方面都远远优于传统方法。目前这项技术在秦俑二号坑和乐山大佛这类国家重点文物保护工程项目中，都已有了成功的应用。苏州科技学院引进了三维激光扫描仪对罗汉院双塔及正殿遗迹、开元寺无梁殿进行了精准测绘，其局部精度甚至可以达到1毫米；而且信息采集快速，省时省工，数据保存又完善详实。

故宫文化资产数字化应用研究所也在广泛应用三维扫描、数码摄影、三维建模等数字化手段，采集、加工、存储古建筑和其他文物的数据，致力于建立故宫古建筑和文物的三维数据库；利用虚拟现实技术及其他数字技术，立体再现文化遗产的原貌，更好地促进对于文化遗产的研究和展示。

还有上海河南路桥三维数字化保护也是非常成功的案例之一。河南路桥拥有100多年历史，上海规划中的轨交10号线要从河南路桥下河底穿过，所以该桥即将拆除重建。为了保留河南路桥的历史风貌，相关公司应用三维激光扫描技术对该桥进行数字化存档，准确记录了桥墩、桥面胸墙、桥上花饰、雕刻等细节，并为施工方提供了三维数字化模型、工程图纸等资料，确保重建后的“河南路桥”保留了昔日的风貌。

另外，三维扫描在矿山测量方面还可以对施工巷道、已废弃采空区和巷道进行测量，并完成对矿房采矿和充填验收。三维扫描仪在矿山的应用具有效率高、劳动强度低的优点，是矿山技术发展的一个方向。它的使用可以大量减轻技术人员的体力劳动，从而可以使他们有更多的时间进行成矿规律、工程管理、做好矿山中长期规划等工作。

国内产品即将进入发展成熟期

随着工业智能化的推进，市场对工业三维扫描仪的扫描精度、速度、稳定性以及抗干扰性等要求都会越来越高。目前国际上主要的设备生产商有Faro（法如）、Topcon（拓普康）、Optch（欧普泰克）、Leica（徕卡）、Riegl（瑞格）、Trimble（天宝）。

我国很多企业逐渐打破了国外产品在三维激光扫描领域的技术限制和封锁。

深圳市华朗科技有限公司立足国际工业三维测量技术前沿，致力于工业产品三维数字化制造，研发并生产拍照式三维扫描仪、手持式三维激光扫描仪、三维摄影测量系统与3D动作捕捉系统等。主要应用方向：逆向工程、三维检测、3D打印与产品三维数字化展示等领域。

杭州先临三维自主研发的Shining3D-Metric三维摄影测量系统，性能指标达到国内外同类产品水平，不受距离、机械行程、大小、体积、外形限制，广泛应用于汽车、航天航空、船舶工业、建筑、大型文物、发电设备及工程机械等领域。先临三维自主研发的Shining3D-Camera系列三维相机，基于多目视差法、光影梯度法等，可一次性生成180度的真实立体模型及其表面色彩信息，具有成像速度快、建模精度高的特点，特别适用于三维信息快速获取。

当然，目前国产的三维扫描仪与国外先进产品还有不小的差距。比如美国的FARO Technologies新推出具有高动态范围成像（HDR）功能的新型三维激光扫描仪，能够在明亮或黑暗的光照条件下生成无比清晰的图像，并具有更高的分辨率和更佳的色彩显示效果。一般激光扫描仪数字图像的对比度范围通常为255：1，而新推出的FARO激光扫描仪能够捕捉的亮度范围高达40亿：1。加上更高的彩色分辨率（每次扫描最高可达1亿7千万像素），新型Focus3D激光扫描仪能确保以最佳的清晰度捕捉最小的细节。

一位企业负责人说，也应该看到，当前我国在高分辨率和远程三维激光扫描技术领域基础依然薄弱，这有待继续努力。

随着的国内三维扫描仪产品即将进入发展成熟期，国产三维扫描仪的市场占有率也逐步提升，随着国产三维扫描仪应用的大规模使用，国内三维扫描仪产业已经步入实质阶段。同时，受益于智慧城市建设和三维打印机的产业发展，三维扫描仪产业也获得了高速成长的机会。但是为了避免恶意价格战以及惨烈的竞争，相关企业必须进一步深入分析市场和消费者，以寻找出潜在的或尚未满足的需求，从而推出有差异化的产品来满足不同细分的市场。