三維激光掃描儀技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用*

張 靖，張愛能，劉國棟

(1.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安710064;2.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶400074)

0 引 言

三維激光掃描技術(shù)是上世紀九十年代中期開始出現(xiàn)的一項高新技術(shù)，是繼GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(shù)新突破。其突破了傳統(tǒng)單點測量方法，通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀技術(shù)廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑和文物保護、斷面和體積測量等領(lǐng)域，具有不需要合作目標、高精度、高密度、高效率、全數(shù)字特征等優(yōu)點［1-5］。

常用的地形圖測量方法有全站儀數(shù)字化測圖、GPS-RTK 測圖、數(shù)字攝影測量等方法。但這些方法外業(yè)工作量大，且在地形險峻，人難以到達的地方往往顯得無能為力。從三維激光掃描儀的測量原理和掃描過程可知，三維激光掃描以格網(wǎng)掃描方式，高精度、高密度、高速度和免棱鏡地測量地表點，能詳細了解地面點的細節(jié)變形和整體變化，同時三維激光掃描技術(shù)制作的地形圖精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且可大大縮短外業(yè)工作時間，將大部分時間轉(zhuǎn)為在軟件中對掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理［6-8］?；谌S激光掃描的地形測繪成圖技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)流程，使相關(guān)外業(yè)測繪流程大大簡化，外業(yè)工作時間大大縮短，外業(yè)人員的勞動強度大大降低，內(nèi)業(yè)處理的自動化程度也顯著提高。因此將三維激光掃描技術(shù)引入到地形測量中是具有重要意義的。

文中主要介紹了三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用。首先對實驗采用的儀器、測區(qū)概況、控制網(wǎng)布設(shè)及掃描儀掃描方法做了簡要的介紹。然后介紹了將基于掃描儀坐標系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到基于施工獨立坐標系統(tǒng)的過程，探討了將平面坐標和高程分開轉(zhuǎn)換的方法，將轉(zhuǎn)換后的點云數(shù)據(jù)導入到Geomagic 中進行重采用，同時進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，方便cass 繪制等高線。通過全站儀測量一定數(shù)量檢核點來驗證三維激光掃描儀精度。

1 數(shù)據(jù)采集

本次實驗使用徠卡ScanStation2 三維激光掃描儀掃描地形，使用尼康DTM -332C 全站儀布設(shè)控制網(wǎng)，其測角精度為3″，測距精度為±3 mm +2 ppm.測區(qū)位于西安市灞橋區(qū)白鹿塬北坡，掃描區(qū)域的地形起伏較小，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，人流量相對較小，地形表面的雜草和植被較少。

1.1 控制網(wǎng)布設(shè)

在測區(qū)內(nèi)布設(shè)獨立工程控制網(wǎng)，K4點為已知點，平面坐標值設(shè)為1 000，1 000 m，高程值為500 m.在測區(qū)內(nèi)布設(shè)控制點如圖1，通過全站儀測角、測邊，求得控制點的坐標，使用全站儀三角高程測量獲取控制點高程。

1.2 測區(qū)三維掃描

圖1 控制點空間分布圖Fig.1 Control point spatial distribution

將掃描儀安置在控制點K1上，在測區(qū)合適位置安置3 個不在同一直線上的藍白標靶，將其中一個藍白標靶安置在控制點k5上。連接掃描儀和電源，打開電源開關(guān)讓儀器進行自檢;設(shè)置筆記本與掃描儀之間的通訊，啟動配套的Cyclone 軟件并建立數(shù)據(jù)庫與工程文件，連接掃描儀并通過設(shè)置角度范圍對掃描區(qū)域進行拍照。設(shè)置好參數(shù)后進行掃描，找到控制點上標靶大致位置，對標靶進行精細掃描。然后將掃描儀架設(shè)到k3上，采用相同方法依次掃描。依次進行，直到所有掃描完成。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 點云數(shù)據(jù)拼接

點云拼接是多個測站點云數(shù)據(jù)的整合，是基于掃描儀不同坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的過程。點云拼接方法有:基于連接點的拼接;基于標靶的拼接;基于控制點的拼接。本實驗采用基于公共標靶的拼接，拼接后點云數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 測區(qū)點云拼接后數(shù)據(jù)Fig.2 Splicing point cloud data

2.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括:點云去噪和平滑，點云抽稀壓縮，點云空洞修補等。這些過程都可以通過Cyclone 和Geomagic 軟件完成。

3 地形圖繪制

3.1 坐標轉(zhuǎn)換

圖3 基于掃描儀平面坐標與施工獨立平面坐標關(guān)系Fig.3 Relationship between scanner coordinate and construction coordinate

由于獲取的點云數(shù)據(jù)平面坐標和高程是基于掃描儀坐標系統(tǒng)的，而地形圖采用的則是獨立工程測量坐標系，因此在用點云數(shù)據(jù)繪制地形圖前需要進行平面坐標轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換。將基于三維掃描儀點云數(shù)據(jù)坐標系轉(zhuǎn)換到獨立工程測量坐標系中。

3.1.1 平面坐標轉(zhuǎn)換

建立基于掃描儀平面坐標系O-X1Y1，基于工程測量坐標系O-X2Y2，兩個坐標系關(guān)系如圖3 所示。采用四參數(shù)模型進行平面坐標轉(zhuǎn)換，包括平移參數(shù):X0，Y0，旋轉(zhuǎn)參數(shù):a，尺度變化:μ［9］.

對于任意一點Pi在兩個坐標系中坐標分別為(X1，Y1)，(X2，Y2)，存在如下關(guān)系

為求出式1 中平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變化參數(shù)，至少需要2 個已知平面點，，如多于兩個可采用最小二乘法擬合求解。文中已知k3，k4，k5等3 點在兩坐標系中坐標，見表1.

表1 已知點在不同坐標系平面坐標值Tab.1 Known point in different coordinates plane coordinates

采用最小二乘法，通過已知點平面坐標值求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后將點云基于掃描儀平面坐標值全部轉(zhuǎn)到基于工程測量坐標系中，完成坐標轉(zhuǎn)換。

圖4 高程關(guān)系Fig.4 Elevation relationship

3.1.2 高程轉(zhuǎn)換

掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)中，其高程值起算面是基于掃描儀系統(tǒng)的，把這種高程值記為H點云;通過全站儀獲取的控制點高程值其起算是假定的水準面，在小范圍內(nèi)可以把其當成平面，把這種高程記為H水準［10-13］。這2 種高程值關(guān)系如圖4 所示。根據(jù)圖可知 H水準=H點云+N.

表2 高程值Tab.2 Elevation value

采用平面擬合法求取任意點云高程差值N.假設(shè)任意點云高程差值N 與該點平面坐標，有

其中 a，b，c 為模型參數(shù)。為求出公式2 中的模型參數(shù)，至少需要3 個已知公共高程點。文中已知k3，k4，k5，3 點在兩高程系統(tǒng)高程值，見表2.

將3 個公共點高程值數(shù)據(jù)代入公式2 中，求解模型參數(shù)。最后將點云數(shù)據(jù)高程值轉(zhuǎn)為基于假定水準面的高程值。

3.2 等高線生成

點云數(shù)據(jù)生成等高線流程如圖5 所示。

圖5 等高線生成流程圖Fig.5 Contour generated flowchart

3.2.1 點云采樣

由于點云數(shù)據(jù)量大，本次實驗采集的點云數(shù)據(jù)約為14 萬個，如果直接導入到cass 中肯定不利于坐標數(shù)據(jù)生成等高線，需對點云數(shù)據(jù)進行采樣，在Geomagic 中，點云采樣方法有:曲率采樣、等距采樣、統(tǒng)一采樣和隨機采樣。本次實驗采樣曲率采樣，即設(shè)定某一百分比值，軟件按照最小二乘法計算某曲面上的曲率，依次類推計算出所有的曲率，然后依照曲率大小劃分的區(qū)間對點云進行精簡刪除，得到設(shè)定的百分比與點云數(shù)值乘積的點值。采樣后點云數(shù)據(jù)約為1.4 萬個。

3.2.2 等高線繪制

將采樣后的點云數(shù)據(jù)導入到cass 中，建立DTM 模型，設(shè)置等高距，cass 軟件自動生成等高線如圖6 所示。

圖6 等高線Fig.6 The contour lines

4 精度驗證

本次實驗在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了8 個檢核點，掃描時在檢核點上安置藍白標靶。通過全站儀獲取的這8 個檢核點的平面坐標和高程與檢核點點云轉(zhuǎn)換后坐標數(shù)據(jù)進行比較來驗證地形圖的可靠性。表3 給出了兩者比較的結(jié)果。

從表3 可以看出，三維激光掃描儀獲取的檢核點平面坐標與全站儀獲取點的平面坐標的差值的絕對值最小為0.005 m，最大值為0.024 m，平均值為0.012 m，高程差值絕對值最小值為0.006 m，最大值為0.029 m.平均值為0.018 m.掃描儀轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)誤差主要包括控制測量誤差，掃描儀系統(tǒng)誤差，坐標轉(zhuǎn)換誤差。比較結(jié)果說明，三維激光掃描儀的精度滿足地形圖測量需要。

表3 全站儀測量檢核點坐標與激光掃描儀獲取點坐標比較Tab.3 Comparison of the check points’coordinates measured by total station and scanner

5 結(jié) 論

通過實驗，將三維激光掃描儀用于地形測量，實驗結(jié)果表明三維激光掃描儀的精度滿足地形圖測量需要。三維激光掃描是一種具有高精度、高密度、高速度、非接觸的掃描手段，在地形測量中，特別是在地形險峻、人難以到達的地方有著較大的優(yōu)勢。

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