三维激光扫描课程的教学实践探索

李峰　刘小阳　孙广通　王秋玲

【摘要】针对三维激光扫描技术在课堂教学中的重点和难点问题，根据该课程的特点重新设计了课程的教学内容，并通过课内实验、开放性实验项目、大学生创新项目加强了学生实践能力的培养，提升了学生的创新和解决实际测绘问题的能力。

【关键词】三维激光扫描；激光点云；实践教学

【Abstract】To solve the emphases and difficulties of classroom teaching in the 3D laser scanning technology class，depending on this classs characteristics，we redesigned the teaching contents of this class，adopted classroom experiments，opening experiments，college student innovation project to strengthen the ability cultivation of college students practical ability， their project innovation ability and ackle physical problems of Geomatics.

【Key words】3D laser scanning；Laser point clouds；Practical teaching

0 前言

智慧城市以数字城市为基础，利用城市物联网中的各种传感器将现实城市联系起来，通过云平台对大数据进行存储、查询、分析和决策[1]，根据辅助决策结果提供为城市规划、经济发展、人口扩张和各类设施管理提供智能控制服务，促进了现代城市的绿色、低碳和可持续的发展，它可以简单地理解为数字城市、物联网和元计算技术有机结合体。而智慧城市的基础框架是建立3D城市模型之上的，目前3D模型的构建方法包括了基于地形图或高分卫星图法、全站仪测量法、无人机倾斜摄影技术、机载激光点云建模法、车载激光点云建模法以及地面三维激光扫描建模法6种方法。这些方法各有自身的优缺点，其中地面三维激光扫描建模法因其测量速度快、精度高、效率高而多用于3D模型的精细建设，近20年来已经广泛用于逆向工程、城市规划、文物修复、地形测图、虚拟现实、变形监测、地理信息空间分析等领域[2]。目前已有多所高校开设三维激光扫描相关的本科生和研究生课程，但是三维激光扫描技术作为测绘新技术，在教材编写、课程建设、实验实习等方面与传统测绘课程之间仍然存在着相当大的差距；因为三维激光扫描技术不同于传统的测绘技术，在教学内容设计、数据采集与处理、3D建模等领域有其独特的技术特点，所以探索并建立一种三维激光扫描课程的教学实践体系已经迫在眉睫。

1 教学体系构建

1.1 教学内容设计

三维激光扫描课程涉及的前期开设课程包括普通测量学、GNSS定位原理与应用、地理信息系统原理、三维建模、高等数学、线性代数等课程，前期课程涉及范围广、内容跨度大，对各课程教师及其教学内容的协调难度大，因此，不宜直接对前期课程抱有过高的要求，而对讲授三维激光扫描课的教师提出了更高的期望，需要该教师具备多学科的专业知识与操作技能，该门课程教师在课前应该准备相关测量课程的内容。另外，测绘工程专业开设3dsMax课程进行3D建模训练的高校寥寥无几，3dsMax软件建模难度大，需要长时间的学习才能掌握，因此，在实际教学过程中建议以常见的AutoCAD、SketchUp和Microstation等易学的3D建模软件来代替3dsMax教学。

三维激光扫描课程的教学内容分为10章讲授，第1章绪论部分主要讲述三维激光扫描技术的发展历史，激光的基本概念、分类、特征，激光技术的概念与技术特点；第2章重点讲述激光扫描仪的测距原理和点云的常见格式；第3章讲解激光扫描仪的组成、安全标准和常见的商用扫描仪；第4章重点论述激光点云的八叉树压缩方法和ICP配准算法；第5章叙述利用激光点云进行自动和手工3D建模的方法；第6章介绍三维表面模型和实体模型的建模软件；第7章简介三维激光扫描仪的误差来源；第8章给出了三维激光扫描仪的测角和测距部分的检定方法；第9章介绍机载LiDAR系统的组成、原理和数据处理方法。第10章介绍利用Microstation软件和Geomagic软件进行3D建模的方法。

1.2 实践教学环节建设

三维激光扫描课程是一门实践性很强的课程，在三维激光扫描理论学习期间，为了强化学生的学习效果，应安排适量的课内实验来提高学生的动手操作能力。课内实验的内容应包括三维激光扫描仪的操作实验、激光扫描点云的配准实验、激光点云逆向工程曲面建模实验、激光点云赋色实验、激光点云的三维实体模型构建实验。在每次课内实验结束时教师都要求学生提交实验成果，从而敦促学生在实验课上能集中精力完成每次的实验任务。

课内实验部分仅为3D建模的基础技能，为了进一步提升学生们的建模能力，在开放实验课程项目中，将学生按照4-5人的规模进行分组，以本校校园的3D场景重建维目标，首先，各组根据普通测量学和GNSS课程的知识协同完成校园控制网的建立；其次，因为三维激光扫描仪台数较少，各组需利用课余时间轮流操作仪器完成校园激光点云的全面采集工作；然后，各组成员配准全部站点扫描数据；校园全部点云数据量高达30G，不易整体操作运行，因此根据校内建筑物的数量剪切出各建筑物对应的激光点云，平均分配给各小组，各小组针对大地定向的点云，利用Microstation软件建立对应建筑物的3D模型；将各小组建模的全部结果融合成校园整体的3D模型，对于校园内的树木、路灯杆、围墙等直接建立小品模型库，按照对应地物出现的位置放置小品模型并根据点云数据调整其高度。最后组合成整体的3D模型并可导入到Google earth、Skyline等软件进行三维分析与展示。

在学生建模能力全面提升的基础上，组织学生参加大学生创新项目，使用激光扫描仪与实验室装备的四旋翼无人机共同完成所在城市重要文物或景观的3D建模工作。带领部分同学参加教师的三维激光扫描测量的横向或纵向课题，通过实战训练做到课题理论与实际工作实践的有机结合。此外，本校紧邻测绘类高校与企业云集的北京市，可定期邀請从事三维激光扫描技术教学与应用的高校教师或公司技术人员来我校进行讲课、讲座和产品展示活动[3]，这样不仅使学生了解了最新的三维激光扫描技术的前沿知识，而且开阔了他们的专业视野，提高了对三维激光扫描技术的学习兴趣和未来就业深造的信心。

2 结束语

三维激光扫描扫描课程的开设为测绘工程专业教学提出了新的挑战，通过该课程的教学内容设计和实践教学环节的建设加深了学生对三维激光扫描课堂理论知识的理解，同时巩固了相关测绘课程的内容，进一步熟悉并掌握了三维激光扫描仪的操作能力，提高了学生的3D建模能力，实现了三维激光扫描课程教学与实践的有机融合。

【参考文献】

[1]李德仁，姚远，邵振峰.智慧城市中的大数据[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（6）：631-640.

[2]李峰，刘小阳，宋萍，等.“测绘法规与管理”课程教学策略体系的研究与实践[J].测绘通报，2015（8）：130-132.

[3]杨妮，吴良林，曾凡涛，等.面向专业特点的三维激光扫描测量项目化教学探讨[J].教育现代化，2017，4（6）：127-130.endprint