三維激光掃描儀在地形測量中應(yīng)用

王建華 胡小峰

【摘 要】掃描系統(tǒng)的發(fā)展起始于 1960 年代左右，早期的掃描儀主要應(yīng)用于隧道、井、以及橋梁的對齊操作、變形測量、以及工程測量。隨著大量的研究開發(fā)以及計(jì)算機(jī)設(shè)備的發(fā)展，直至 1990 年代中期才廣泛應(yīng)用于地形測量。三維激光掃描技術(shù)能獲取目標(biāo)的空間信息，具有大面積、高自動(dòng)化、高速率、高精度的測量的特點(diǎn)，采集過程安全簡單、節(jié)省人力并且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)理能力，幾乎可以提供任何位置、任何細(xì)節(jié)的信息，作業(yè)成果完全能滿足高寒地區(qū)地形測量。

【關(guān)鍵詞】三維激光 掃描儀 測繪 應(yīng)用

RIEGL VZ-4000三維激光掃描技術(shù)是現(xiàn)在國際獲取空間多目標(biāo)三維數(shù)據(jù)最先進(jìn)的長距離影像測量測量技術(shù)，由于它是將傳統(tǒng)測繪系統(tǒng)的測量擴(kuò)展于到了面測量，能夠深入到復(fù)雜的空間和現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行掃描測量，直接將各種復(fù)雜的、大型的目標(biāo)物體所掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整地輸入到計(jì)算機(jī)中，然后構(gòu)出目標(biāo)物體。

1 RIEGL VZ-4000掃描系統(tǒng)組成

RIEGL VZ-4000是地面型激光掃描系統(tǒng)的固定式三維激光掃描儀，其掃描系統(tǒng)組成包括以下：

（1）超長測程。高速、高分辨率提供高達(dá)4公里的超長測程以及豎直60°，水平360°的廣闊視場角范圍。采用不可見的對人眼安全的一級激光。

高精度以及可信賴的超遠(yuǎn)測程是基于RIEGL VZ系列掃描儀獨(dú)一無二的數(shù)字化回波和在線波處理功能，即使在沙塵、霧天、雨雪等能見度非常差的天氣作業(yè)時(shí)，也能按需獲取高精度測量及多重目標(biāo)回波的識別。

（2）波形數(shù)據(jù)輸出（可選的）。數(shù)字化回波信號，也被稱為波形數(shù)據(jù)，通過VZ-4000獲取用于進(jìn)行波形分析。

表1操作模式

Laser PRR 30 kHz 50 kHz 150 kHz 300kHz

有效測量速度

目標(biāo)反射率：p≥90%

目標(biāo)反射率：p≥20% 23000點(diǎn)/秒

4000m

2300m 37000點(diǎn)/秒

3100m

1700m 113000點(diǎn)/秒

2400m

1200m 222000點(diǎn)/秒

2400m

1200m

目標(biāo)回波接受的最大數(shù)量 無限次回波m

（3）內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)。內(nèi)置分辨率為2060×1920 pixels（5M）像素的數(shù)碼相機(jī)，自動(dòng)曝光控制。數(shù)碼相機(jī)視場范圍為7.2°×5.5°（垂直×水平）可通過棱鏡旋轉(zhuǎn)獲取覆蓋整個(gè)視場一定數(shù)量的高分辨率的全景照片，與掃描測量成果相結(jié)合，創(chuàng)建三維數(shù)字模型，為地質(zhì)、巖土、公路設(shè)計(jì)的調(diào)查提供相應(yīng)的服務(wù)保障。

（4）內(nèi)置雙軸傾斜補(bǔ)償和GPS。利用集成的GPS接收機(jī)（L1）或者外接GPS接收機(jī)，內(nèi)置雙軸傾斜傳感器（補(bǔ)償范圍±10°，精度±0.008°）。

（5）內(nèi)置數(shù)字磁羅盤。

（6）內(nèi)置大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（7）內(nèi)置激光鉛錘。

（8）外接電源。

（9）反射片。

（10）RIEGL軟件包。

2 RIEGL VZ-4000掃描儀的基本原理

三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號，經(jīng)目標(biāo)表面漫反射后，沿幾乎相近的路徑反向傳回到接收器，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量是儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，得P的坐標(biāo)。

圖1掃描儀三維計(jì)算示意圖與公式。

3 RIEGL VZ-4000掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用自由架站的方法進(jìn)行，即不輸入掃描站的坐標(biāo)和定向坐標(biāo)，使用RTK或全站儀采集反射片的坐標(biāo)。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括反射片及控制點(diǎn)布設(shè)與測量、數(shù)據(jù)全景掃描和外業(yè)掃描精的控制三部分工作。

3.1反射片布設(shè)及測量

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要在測站位置周圍3米外7米內(nèi)布設(shè)3個(gè)以上不在同一條線上反射片。由于掃描儀與被掃描目標(biāo)所形成的夾角不同、分辨率不一樣，夾角越小，分辨率越低；對于不同的掃描距離，點(diǎn)的精度也不同；另外還存在有障礙物不能通視的情況，因此有很多測站掃描的數(shù)據(jù)拼接到一起完成。為了拼接和數(shù)據(jù)管理方便，把反射片的點(diǎn)名與掃描站的站數(shù)命名一致，如掃描站默認(rèn)第一站站名為ScanPos001，那么反射片點(diǎn)名為K001-1、K001-2、K001-3。默認(rèn)第二站為ScanPos002， 那么反射片點(diǎn)名為K002-1、K002-2、K002-3， 以此類推。使用RTK或全站儀測量反射片坐標(biāo)。

3.2確定采樣間隔和數(shù)字化回波信號頻率

采樣間隔和數(shù)字化回波信號頻率設(shè)置很重要，采樣間隔大，給數(shù)據(jù)處理精度造成影響；采樣間隔小，則采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，給數(shù)據(jù)的傳輸、保存以及后期的數(shù)據(jù)處理帶來很大的麻煩。掃描儀內(nèi)設(shè)有掃描脈沖時(shí)間60和80。

數(shù)字化回波信號頻率有 30 kHz 、50 kHz、150 kHz、300 kHz四種模式。通視條件好的情況下，保證相鄰測站間有一定的點(diǎn)云重疊區(qū)域，通視條件不好，則應(yīng)選擇適當(dāng)位置增加掃描站數(shù)，直至需要測量的目標(biāo)全部掃描完成經(jīng)驗(yàn)值配對表。

表2經(jīng)驗(yàn)值配對表

距離 脈沖時(shí)間 數(shù)字化回波信號頻率

500米以內(nèi) 80/60 300 kHz

距離 脈沖時(shí)間 數(shù)字化回波信號頻率

1000米以內(nèi) 60/80 150 kHz

1000-2000米以內(nèi) 60 50 kHz

2000米以上 60 30 kHz

3.3外業(yè)掃描精度的控制

選擇晴朗、大氣環(huán)境穩(wěn)定、能見度高、0℃-40℃氣溫的環(huán)境中掃描作業(yè)，減少大氣中水汽、雜質(zhì)等對于激光傳輸路徑以及傳輸時(shí)間的影響；對于目標(biāo)對象的透射或者鏡面反射表面要做處理，防止丟失信號、弱激光信號對精度的影響；避免非靜態(tài)因素的影響。例如：人、下雪、下雨、等等。

4 RIEGL VZ-4000掃描儀內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

RisCAN PRO是奧地利Riegl公司為RIEGL儀系三維掃描儀開發(fā)的軟件，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)功能，能夠?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)出多種比較通用的數(shù)據(jù)格式。

外業(yè)掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，既包含有用的數(shù)據(jù)，也包含車輛、行人、雪、雨等無用的數(shù)據(jù)，這些無用的數(shù)據(jù)，我們稱之為噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)必須要經(jīng)過處理。從點(diǎn)云到測繪成果的實(shí)現(xiàn)包括掃描數(shù)據(jù)分區(qū)、反射片的選取、建立掃描站點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)抽隙、去噪點(diǎn)、格式轉(zhuǎn)換、生成南方CASS坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

4.1 掃描站數(shù)據(jù)分區(qū)

根據(jù)地形和精度的限制，本工程把測區(qū)掃描站分了18個(gè)區(qū)塊。

4.2反射片的選取

一般在2D視圖下，灰度模式中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取反射片，灰度值軟件根據(jù)爆光度計(jì)算。在3D視圖中拖入標(biāo)記的反射片來檢查標(biāo)記的反射片位置是否正確-，若發(fā)現(xiàn)反射片選取偏離，可在掃描站中的TPL中刪除改點(diǎn)，在3D視圖中重新選擇。為了拼接和數(shù)據(jù)管理方便，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)反射片的點(diǎn)名與掃描站的站數(shù)命名一致，如掃描站默認(rèn)第一站站名為ScanPos001，那么反射片點(diǎn)名為TP001-1、TP001-2、TP001-3。默認(rèn)第二站為ScanPos002， 那么反射片點(diǎn)名為TP002-1、TP002-2、TP002-3以此類推。

4.3建立掃描站點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

建模設(shè)定參數(shù)主要有三個(gè)：

（1）max plane error=0.02m、（設(shè)置最大平面的誤差）；

（2）max edge lenth=2m、 （設(shè)置最大三角形邊長）；

（3）reference range=150m。（設(shè)置最站與站重疊長度或測程的一半）。

4.4點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

把從各個(gè)掃描站上掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，找出正確的排列關(guān)系，使它們能夠擬合成一個(gè)整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即把不同基準(zhǔn)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一基準(zhǔn)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這個(gè)過程叫做點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。其實(shí)質(zhì)是把不同的坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接技術(shù)按過程分為，粗略拼接和精確拼接。

4.4.1粗略拼接

將不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大致轉(zhuǎn)換到同坐標(biāo)系下，為精確拼接提供出始值。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)反射片坐標(biāo)TPL（socs）與RTK所測的直角坐標(biāo)TPL（GLCS）進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)匹配。設(shè)置的容差和匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果無法匹配的時(shí)候首先檢查容差設(shè)置和匹配點(diǎn)數(shù)量的設(shè)置，如果還不行，打開3D點(diǎn)云看選取的位置是否在所要選取的位置上，這個(gè)過程叫粗略拼

4.4.2精確拼接

通過迭代優(yōu)化一組坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)拼接誤差最小。設(shè)置的參數(shù)（設(shè)置搜索半徑，半徑大小根據(jù)粗略拼的結(jié)果來定；設(shè)置誤差遞減，幅度不要太大。打開多站點(diǎn)拼接命令，選取一個(gè)掃描站作為這個(gè)區(qū)塊的基準(zhǔn)后鎖定，在拼接過程中一定要一站一站拼接。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，重復(fù)設(shè)置更小參數(shù)直至達(dá)到最優(yōu)結(jié)果；檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)，看無明顯分層即可。

4.4.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度控制

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的擬合處理，是不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換誤差主要是反射片的選取、控制網(wǎng)的精度、測量儀器的精度。

測量控制網(wǎng)精度控制在cm級，掃描站之間可通視的情況下，可以選擇點(diǎn)擬合特征點(diǎn)的方式拼接，選取高精度的測量儀器和測量方法，可提高成果精度。

4.5坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

首先需要?jiǎng)h除TPL（prcs）里的所有點(diǎn)，之后將每一站TPL（socs）中的點(diǎn)計(jì)算后復(fù)制到TPL（prcs），打開TPL（prcs）進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)匹配（坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）。以下是各個(gè)區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度表；

（1）Correspong tiepingts（精拼坐標(biāo)與RTK實(shí)測量坐標(biāo)配對、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的總點(diǎn)數(shù)）

（2）Standard deviation（掃描點(diǎn)拼接后區(qū)塊的中誤差）

用RTK對18個(gè)區(qū)塊進(jìn)行高程內(nèi)插檢測，最小差±0.10cm，最大差±100cm，因?yàn)槭歉吆畢^(qū)允許誤差為±120cm。滿足地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范要求。

4.6數(shù)據(jù)抽隙

在OBJECTS里面的POLYDATA中新建一個(gè)POLYDATA文件，然后再出現(xiàn)的對話框中選擇所要合并的文件，并在設(shè)置中點(diǎn)擊octree命令在increment欄中確定抽希的間隔距離，勾選Conbine命令合并選擇的數(shù)據(jù)。如果認(rèn)為所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或者局部數(shù)據(jù)相對于工程本身過于密集，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽隙處理。

4.7去噪點(diǎn)

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中，由于車輛、行人、樹木等因素的影響，我們采集到了很多無用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)稱作噪聲數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)的剔除過程叫做數(shù)據(jù)濾波。噪聲數(shù)據(jù)與有用數(shù)據(jù)點(diǎn)云的區(qū)別在于噪聲數(shù)據(jù)是不連續(xù)的、無規(guī)律的、比較稀疏而雜亂。利用這一特點(diǎn)可以將噪聲數(shù)據(jù)剔除。打開精確拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過正視圖、側(cè)視圖等刪除躁點(diǎn)；部分選取數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊terrian filter 按鈕，設(shè)置vegetation 剔除植被、mining-object剔除礦上上的物體、mining-points below terrain為剔除低于地面的點(diǎn)。在運(yùn)行剔除植被之后，所有被軟件認(rèn)為是植被的點(diǎn)將處于選擇狀態(tài)，在這當(dāng)中通常會(huì)有一些坡、坎上的點(diǎn)，手動(dòng)選擇需要保留的點(diǎn)。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查把不參與生成等高線的點(diǎn)手動(dòng)框選刪除。

4.8 MTA空間

理想狀態(tài)下，激光將一束束發(fā)射，每一束激光發(fā)射和接受全部信號后，下一束激光才發(fā)射，但是由于激光發(fā)射頻率和掃描距離之間的相互影響，常常當(dāng)發(fā)射的第一束激光時(shí)，部分距離較遠(yuǎn)的回波還沒返回到掃描儀后，第二束激光已經(jīng)發(fā)射出去了，這時(shí)在第二束激光發(fā)射后，第一束激光才返回來和第二束激光返回來的回波將產(chǎn)生影響，需要手動(dòng)區(qū)分二者。

在長距離掃描儀過程中，通?？吹皆趻呙鑳x周圍產(chǎn)生很多飛點(diǎn)，這些飛點(diǎn)并不全是噪點(diǎn)，有些點(diǎn)是由于MTA效應(yīng)的影響產(chǎn)生的，需要手動(dòng)的將這些點(diǎn)選擇，然后點(diǎn)擊工具欄上的“MTA Tool”工具，設(shè)置MTA ZONE值為2，將這些點(diǎn)劃分到MTA ZONE 2中去，現(xiàn)這些點(diǎn)在遠(yuǎn)處顯示成了真實(shí)的地物或者地表點(diǎn)。有時(shí)受到能見度的影響，掃描儀測程不能達(dá)到預(yù)期效果，這時(shí)選取后的點(diǎn)將在遠(yuǎn)處形成球面形狀，這些點(diǎn)意為噪點(diǎn)可直接刪除。不使用這些點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可當(dāng)植被點(diǎn)或者噪點(diǎn)剔除。

4.9 數(shù)據(jù)處理

拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)在去噪處理時(shí)采用自動(dòng)化和手工相結(jié)合的方式對誤差影響不大。后續(xù)數(shù)據(jù)處理盡可能減少格式轉(zhuǎn)化，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型制作采用“測量——建?！蹦Ｊ?。二維圖件制作必須在測量對象的邏輯結(jié)構(gòu)上進(jìn)行制圖。

4.10動(dòng)畫展示

RiSCAN PRO 軟件畫面中開啟所欲制作動(dòng)畫的數(shù)據(jù)，于主要工作窗口按下右鍵，選擇 Create NewAnimation，即可進(jìn)入產(chǎn)生動(dòng)畫設(shè)定畫面。將主畫面數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)至欲制做動(dòng)畫的角度，按下 Add Pose 鍵后即可設(shè)定為第一視角，以此類推設(shè)定后續(xù)視角，軟件可計(jì)算出各點(diǎn)飛行距離，并可設(shè)定飛行時(shí)間、速度等參數(shù)，并可預(yù)視其飛行路徑；參數(shù)設(shè)定完畢后設(shè)定影片大小及壓縮格式即可產(chǎn)生動(dòng)畫檔案。輸出檔案無需專業(yè)點(diǎn)云處理軟件亦可于其他計(jì)算機(jī)上播放（使用Windows 系統(tǒng)軟件內(nèi)建的 Media player 即可），此動(dòng)畫檔的傳輸將有利于了解現(xiàn)場測繪的完整情形。

5 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)能獲取目標(biāo)的空間信息，具有大面積、高自動(dòng)化、高速率、高精度的測量的特點(diǎn)，采集過程安全簡單、節(jié)省人力并且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)理能力，幾乎可以提供任何位置、任何細(xì)節(jié)的信息，作業(yè)成果完全能滿足高寒地區(qū)地形測量。

通過實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)地面三維激光掃描技術(shù)的普及也存在以下不足：

（1）數(shù)據(jù)采集過程當(dāng)中受現(xiàn)場條件限制較多，如視場角、植被、地物，數(shù)據(jù)后處理較復(fù)雜，外業(yè)完成后需要較長時(shí)間的數(shù)據(jù)處理，耽誤后續(xù)工程的人員投入；

（2）儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，進(jìn)口的基本都在200萬元左右，現(xiàn)階段一個(gè)生產(chǎn)單位完全由傳統(tǒng)測量方式向三維激光掃描測量方式轉(zhuǎn)型不太現(xiàn)實(shí)。

（3）儀器自身和精度檢校困難，基準(zhǔn)值求取復(fù)雜，精度不好評定。

（4）精度、測距與掃描速率存在矛盾關(guān)系。

基于這些不足，提出三維激光掃描儀的發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)方面：

（1）三維激光掃描儀國產(chǎn)化，生產(chǎn)單位能用普遍使用。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件處理公用化、多功能化。

（3）進(jìn)一步擴(kuò)大掃描范圍，實(shí)現(xiàn)全圓掃描，獲得空間目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

相信隨著技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)成本的降低，三維激光掃描技術(shù)這種“所見即所得”的測量方式必將在道路工程測量、文物、模具、軍事、航天、石化、醫(yī)學(xué)、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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