RIEGL VZ－4000三維激光掃描儀在水利水電工程地形測繪中的應(yīng)用*

徐 銳，康 慨，王陸軍

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州貴陽 550002)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)(3D Laser Scanning Technology)是一種全自動高精度立體掃描技術(shù)［1］。又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，以其非接觸、掃描速度快、獲取信息量大、精度高、實時性強、全自動化復(fù)制環(huán)境測量等優(yōu)點，克服傳統(tǒng)測量儀器的局限性，成為直接獲取目標(biāo)高精度三維數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)三維可視化的重要手段。它極大地降低了測量成本，節(jié)約時間，使用方便。在水利工程建設(shè)的斜坡穩(wěn)定性研究、高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查、水利樞紐的地形地貌三維數(shù)據(jù)采集，輸水、送電線路的選擇、虛擬技術(shù)的逆向建模、交通、醫(yī)療、古建筑修復(fù)和保護(hù)工程、變形觀測、森林和農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［2－4］。本文重點介紹了奧地利RIEGL公司新推出的VZ－4000三維激光掃描儀，通過幾個實驗，分析其在水利水電工程中應(yīng)用的優(yōu)劣勢以及應(yīng)用前景。

1 RIEGL VZ－4000掃描儀簡介

RIEGL VZ－4000作為新推出的VZ系列三維激光掃描儀，提供了優(yōu)越的高達(dá)4 km的超長距離測量能力，并且延用了RIEGL其他掃描儀對人眼安全的一級激光。RIEGL V系列掃描儀基于獨一無二的數(shù)字化回波和在線波形分析功能，實現(xiàn)超長測距能力。VZ－4000甚至可以在沙塵、霧天、雨天、雪天等能見度較低的情況下使用并進(jìn)行多重目標(biāo)回波的識別，在礦山等地形條件復(fù)雜、局部地方人員難以到達(dá)的困難環(huán)境下也可輕松使用。

高速、高分辨率三維激光掃描儀VZ－4000同時提供豎直60°，水平360°的廣闊視場角范圍。內(nèi)置5 m像素的數(shù)碼相機，可通過棱鏡旋轉(zhuǎn)獲取覆蓋整個視場，獲取一定數(shù)量的高分辨率的全景照片，這些全景照片可與VZ－4000的測量成果相結(jié)合，創(chuàng)建三維數(shù)字模型，為地質(zhì)以及巖土的調(diào)查提供相應(yīng)的服務(wù)保障。

1.1 主要參數(shù)

RIEGL VZ－4000主要參數(shù)，如表1所示。

1.2 操作模式及拼接方法

RIEGL VZ－4000操作模式如下:

1)無需連接筆記本電腦，可通過集成的RiTouch軟件及7″彩色觸摸屏進(jìn)行單機獨立操作。

2)可與筆記本電腦以及其它移動設(shè)備通過WiFi連接，使用Web界面進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控掃描操作。

3)通過筆記本電腦的有線或無線連接，利用RiSCAN PRO進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控掃描操作。

4)可通過第三方工具或者RIEGL的文檔接口軟件RiVlib等進(jìn)行自定義操作。

RIEGL VZ－4000拼接方法，如表2所示。

表1 RIEGL VZ－4000主要參數(shù)Tab.1 Parameters of RIEGL VZ －4000

表2 RIEGL VZ－4000拼接方法Tab.2 Registration methods of RIEGL VZ －4000

2 實驗分析

2.1 城市中實驗

試驗?zāi)康?為了驗證RIEGL VZ－4000三維激光掃描儀的精度，對貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院辦公區(qū)進(jìn)行試驗，并與已有測圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析其測圖精度。

測區(qū)情況:該區(qū)域多為房屋、公共設(shè)施、小區(qū)綠化等建筑物。

數(shù)據(jù)處理:本次試驗共架設(shè)了3個測站。其位置分布如圖1所示。掃描三維圖環(huán)視圖如圖2所示。

分別采用了單機拼接和控制點兩種拼接方法進(jìn)行對比，根據(jù)測量范圍均勻選取一定數(shù)量的點進(jìn)行誤差統(tǒng)計分析，兩種拼接誤差統(tǒng)計分析，如圖3所示。單站拼接方式統(tǒng)計點位中誤差為0.045 m，反射片拼接方式統(tǒng)計點位中誤差為0.052 m。試驗表明，RIEGL VZ－4000三維激光掃描儀在城市測量中具有可靠的測量精度。

圖1 設(shè)站位置分布圖Fig.1 Station position distribution

圖2 點云與全景照片結(jié)合Fig.2 Combination between point clouds and panoramic photos

圖3 兩種拼接方式誤差統(tǒng)計分析圖Fig.3 Error statistics diagram between two types of registration methods

2.2 龍里窄沖水庫壩區(qū)地形圖試驗

試驗?zāi)康?驗證RIEGL VZ－4000自帶的數(shù)據(jù)處理軟件RiSCAN_PRO過濾植被功能效果及適用情況。

測區(qū)情況:地形較為陡峭，有陡崖，沖溝，斜坡等地形特征;植被覆蓋上半部分較為茂盛，除了樹林之外，其中低矮灌木分布也較為多;下半部分植被比較稀疏。另外，測區(qū)地物類型相對較少，測區(qū)無房屋，坎子也較少。

數(shù)據(jù)處理:主要針對該地區(qū)進(jìn)行了植被過濾，等高線信息提取，也包括部分特殊地貌，如陡崖，溝、坎等的提取。

植被剔除方法:

1)根據(jù)測區(qū)植被茂密情況，對測區(qū)進(jìn)行分區(qū)。

2)通過高程閾值，對點云進(jìn)行切片處理，然后從側(cè)面視角中提取最低點為地面點。

3)對于陡崖等特殊地物，可以通過地物反射率實現(xiàn)點云分類處理，然后單獨處理。

測區(qū)點云數(shù)據(jù)如圖4所示，植被過濾后生成的地形圖如圖5所示。根據(jù)試驗結(jié)果，與實測地形圖進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)本測區(qū)植被稀少地區(qū)過濾效果能夠達(dá)到1∶500比例尺地形圖精度要求，但是對于上半部分植被茂密地區(qū)，過濾植被后所生成的數(shù)據(jù)與已有成果有0.5 m～1 m左右的出入，一些比較特殊的地形如沖溝、陡巖等地物，受植被覆蓋的影響，不能被正確提取。實際測量中還必須依靠傳統(tǒng)測量方式進(jìn)行補測。

圖4 點云數(shù)據(jù)Fig.4 Point cloud data

圖5 地形圖Fig.5 Topographic map

2.3 花溪紅巖水庫壩區(qū)地形圖試驗

試驗?zāi)康?野外地形圖測繪地物提取。

測區(qū)情況:測區(qū)地形起伏變化較緩，植被覆蓋相對較少，多為零散低矮的草本類植物以及少數(shù)低矮灌木。梯田、耕地分布較多，所以地貌特征提取中多為坎子的提取。

數(shù)據(jù)處理:本次實驗在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，由于受地形條件限制，測站周圍一半以上都是茂密樹林，反射片布設(shè)困難，因此選擇單機拼接方式，分別設(shè)立2個測站，并分別測量測站所在位置的大地坐標(biāo)(RTK測量)。根據(jù)儀器自身所帶的定向系統(tǒng)找到北方向(地磁北，單站測定北方向角度誤差為±5°)，同時根據(jù)兩個測站的“同北方向”進(jìn)行拼接、轉(zhuǎn)換為所需要的大地坐標(biāo)。然后進(jìn)行地貌特征提取，主要為坎子的提取。圖6為測區(qū)所掃描的點云數(shù)據(jù)，圖7為局部地物點云數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)處理過程中，從拼接的精度來看，不如城市測量中單機拼接效果理想，主要是由于測區(qū)多為樹木、草地、耕地等較為復(fù)雜的地貌特征，在公共面選取時存在誤差，降低了拼接精度。

另外在點云數(shù)據(jù)中提取地物時，利用儀器自帶的RiSCAN_PRO軟件提取效果不是很好，工作效率不高，并且很容易與實際情況有誤差。目前普遍采用第三方軟件，如KUBIT插件輔助，它能將所拍攝的照片疊加在點云數(shù)據(jù)上，從而提高畫圖精度。

根據(jù)這次試驗總結(jié)分析得出，野外地形測量拼接應(yīng)該盡量使用反射片拼接的方式，從而保證測量精度;對于地物的提取，為了提高工作效率和精度，需要借助第三方軟件進(jìn)行。

3 結(jié)束語

本文首先介紹了RIEGL VZ－4000三維激光掃描儀的基本功能及主要參數(shù)。為了驗證其在地形測繪工作中的精度、過濾植被的能力、地物提取的精度和效率等，先后進(jìn)行了3次試驗。通過實驗發(fā)現(xiàn)，RIEGL VZ－4000的掃描距離有很大增加，并且自帶的數(shù)據(jù)處理軟件對植被過濾的功能有所增強，在植被不是非常茂密的情況下，過濾效果可行。其劣勢在于:

1)在地物提取方面，工作效率和精度還有待加強，需要借助第三方軟件(例如KUBIT插件)，并且數(shù)據(jù)后處理相對復(fù)雜，內(nèi)業(yè)處理時間增加。

2)在植被非常茂密地區(qū)測量精度不高，因此目前還不能完全取代傳統(tǒng)測量方式［5］。但是這款三維掃描儀在植被不是非常茂密，受地形條件限制，觀測距離比較遠(yuǎn)的工程中，具有比較可觀的應(yīng)用前景，能夠大大降低野外工作時間，提高工作效率，降低工程成本;同時，如果需要進(jìn)行三維可視化設(shè)計時，三維激光掃描儀擁有傳統(tǒng)測量方式無法比擬的優(yōu)勢。

［1］紀(jì)勇，李孝雁.三維激光掃描技術(shù)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，20(1):23－25.

［2］張啟福，孫現(xiàn)申.三維激光掃描儀測量方法與前景展望［J］.北京測繪，2011(1):39－42.

［3］臧克.基于Riegl三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)的初步研究［J］.首都師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，28(1):77－81.

［4］王建文，杜春梅.三維激光掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)研究［J］.計算機工程與設(shè)計，2010，31(5):1 089 －1 092.

［5］馬利，謝孔振，白文斌，白建軍.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應(yīng)用［J］.北京測繪，2011(2):48－51.