地下空間激光掃描點(diǎn)云精度對(duì)比分析

韓文泉，胡伍生，陳 昕，王孟和

(1. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210009； 2. 南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

地下空間激光掃描點(diǎn)云精度對(duì)比分析

韓文泉1，2，胡伍生1，陳 昕2，王孟和2

(1. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210009； 2. 南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

利用4種激光掃描設(shè)備對(duì)地下空間掃描，針對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用全站儀測(cè)量研究區(qū)內(nèi)特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，統(tǒng)一點(diǎn)云空間參考；并從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取特征點(diǎn)坐標(biāo)，與測(cè)量的三維坐標(biāo)對(duì)比分析。結(jié)果顯示：推掃式激光掃描設(shè)備比架站式精度略低，最弱方向中誤差為0.128 m，而架站式為0.039 m；用推掃式激光掃描設(shè)備對(duì)地下空間進(jìn)行測(cè)量，能滿足1∶500數(shù)字線劃圖的測(cè)量精度要求。

地下空間；激光掃描；點(diǎn)云；精度對(duì)比

隨著人類(lèi)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快、城市化水平的提高、城市人口的迅速增長(zhǎng)，現(xiàn)代大城市，特別是城市中心區(qū)域都不可避免地出現(xiàn)了城市化進(jìn)程快速推進(jìn)與有限土地資源之間的矛盾，地面土地資源并不能最大限度地滿足城市發(fā)展的需求[1]。地下空間的開(kāi)發(fā)利用已成為人類(lèi)生活空間的新拓展，地下空間開(kāi)發(fā)利用和管理越來(lái)越重要[2]。為了配合地下空間的開(kāi)發(fā)和利用，許多城市已經(jīng)開(kāi)展了地下空間的普查、測(cè)繪和建立地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的工作[3]。例如，上海已經(jīng)查明，截至2011年底，全市具有一定規(guī)模的地下工程共3.1萬(wàn)多個(gè)，總建筑面積約5699萬(wàn)m2[4]。南京市由人防、規(guī)劃、測(cè)繪等多部門(mén)參與，于2015年開(kāi)始指定地下空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)展試驗(yàn)工作。常州市武進(jìn)城區(qū)地下空間數(shù)據(jù)測(cè)繪項(xiàng)目主要采用全野外數(shù)字化法進(jìn)行成圖，主要包括地下建(構(gòu))筑物的測(cè)繪定位、屬性調(diào)查，以及地下建(構(gòu))筑物的數(shù)字化與數(shù)據(jù)入庫(kù)等工作[2]。

開(kāi)展地下空間普查等工作，通常采用3種測(cè)量技術(shù)[5]：①全站儀測(cè)量技術(shù)，控制測(cè)量、聯(lián)系測(cè)量及碎部測(cè)量；②激光測(cè)量技術(shù)，主要對(duì)地下空間掃描；③竣工圖紙技術(shù)，是成本最低的方法。胡俊等對(duì)地下空間地籍調(diào)查方法進(jìn)行了探討[6]；劉海飛等探討了地下空間中測(cè)繪技術(shù)[7]；而陳勇等研究了三維激光掃描技術(shù)在地下空間設(shè)施普查測(cè)量中的應(yīng)用[8]。相比較而言，激光測(cè)量技術(shù)最為先進(jìn)，但也最不成熟。李永強(qiáng)等研發(fā)了地下空間移動(dòng)激光測(cè)量系統(tǒng)[9]；馬志等研究了地下空間掃描多站拼接及標(biāo)定技術(shù)[10]，以及儲(chǔ)備激光掃描在地下空間的應(yīng)用技術(shù)。特別是移動(dòng)式掃描(SLAM)設(shè)備的推出，比傳統(tǒng)架站式掃描更快，精度狀況卻說(shuō)法不一。本文針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)新興的激光掃描技術(shù)手段進(jìn)行測(cè)試，比較分析獲得數(shù)據(jù)采用的方法、設(shè)備等有關(guān)精度的技術(shù)指標(biāo)在南京市地下空間普查活動(dòng)中的適宜性。

王玉鵬等用室內(nèi)標(biāo)定場(chǎng)對(duì)地面三維激光掃描點(diǎn)位精度進(jìn)行了評(píng)定，認(rèn)為在實(shí)際測(cè)量環(huán)境下ScanStation2型掃描儀的點(diǎn)位精度在距離為40 m時(shí)為±4.7 mm，符合廠家給出的±6 mm/50 m的精度指標(biāo)；在距離為80 m時(shí)為±6.3 mm，這也符合大部分建筑物建模的精度要求[11]。齊建偉等研究了三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)靶的重復(fù)掃描測(cè)量精度，認(rèn)為其內(nèi)符合精度優(yōu)于1 mm[12]。王俊杰通過(guò)試驗(yàn)證明，Trimble GX 三維激光掃描儀在200 m的距離點(diǎn)位最大誤差可以達(dá)到17.9 mm[13]。丁建勛等用FaroFocus3D 掃描儀精細(xì)化掃描了墻面的靶標(biāo)，靶標(biāo)的掃描坐標(biāo)成果與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)相比，最大相差2.6 mm，最小相差0.3 mm[14]。綜合以上研究，不同設(shè)備采用不同的方法，獲得的結(jié)論不同。因此，在地下空間測(cè)繪中大面積采用激光掃描的方法之前，有必要對(duì)不同激光掃描方式獲得的激光點(diǎn)數(shù)據(jù)精度作進(jìn)一步分析，對(duì)使用激光掃描方式進(jìn)行地下空間信息采集具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)為南京市測(cè)勘院地下部分停車(chē)場(chǎng)的三維空間，占地面積約為1417 m2，最長(zhǎng)邊約69 m，最大凈高4 m多，呈多邊形立體分布。地下停車(chē)場(chǎng)包括出入口、場(chǎng)內(nèi)設(shè)備設(shè)施、標(biāo)線等。平面頂視圖如圖1(a)所示。其中，邊線為地下停車(chē)場(chǎng)范圍線，左下部分與其他部分相連，左上側(cè)為出入口；黑色圓點(diǎn)為測(cè)量的控制點(diǎn)位和特征點(diǎn)。

圖1

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 控制測(cè)量

2.1.1 地下控制測(cè)量

控制測(cè)量按如下原則：通過(guò)聯(lián)系測(cè)量傳遞到地下的坐標(biāo)、方位、高程作為地下控制測(cè)量的起算數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)叵驴刂茰y(cè)量的精度要求高于地面控制測(cè)量時(shí)，可只使用一個(gè)傳遞點(diǎn)的坐標(biāo)、一個(gè)定向邊方位值和一個(gè)點(diǎn)的高程值，其他傳遞的數(shù)據(jù)不參與平差計(jì)算。地下平面控制測(cè)量宜采用全站儀導(dǎo)線測(cè)量方法進(jìn)行。導(dǎo)線測(cè)量精度等級(jí)分為四等、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和圖根級(jí)。四等、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)導(dǎo)線測(cè)量的主要技術(shù)及觀測(cè)要求應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，圖根級(jí)導(dǎo)線測(cè)量的技術(shù)要求應(yīng)符合參考文獻(xiàn)[15]的規(guī)定。

本研究采用閉合導(dǎo)線加支導(dǎo)線的方式進(jìn)行圖根控制點(diǎn)的測(cè)量，在測(cè)區(qū)布設(shè)了3個(gè)閉合導(dǎo)線點(diǎn)和1個(gè)支導(dǎo)線點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)精度要求為：①平面位置中誤差不得大于3 cm；②高程中誤差不得大于5 cm；③凈空高測(cè)量中誤差不得大于3 cm。地面上平面控制點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于2 cm，地面高程控制點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于2 cm。

2.1.2 特征元素測(cè)量

2.1.2.1 特征點(diǎn)

在停車(chē)場(chǎng)出入口、墻面上、地面上、場(chǎng)內(nèi)頂面上布設(shè)特征點(diǎn)，要求布設(shè)標(biāo)靶或采集明顯特征點(diǎn)，并測(cè)量其坐標(biāo)。如圖2所示。

圖2 特征點(diǎn)測(cè)量

2.1.2.2 特征線

在停車(chē)場(chǎng)出入坡道上、墻面上、地面上、場(chǎng)內(nèi)頂面上布特征線，可以使用已經(jīng)布設(shè)的特征點(diǎn)的連線，要求兩點(diǎn)構(gòu)成直線，或者采用已有的明顯標(biāo)志，并且測(cè)量各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 布設(shè)標(biāo)志

在掃描儀作業(yè)之前，在車(chē)庫(kù)里面墻上布設(shè)用A4紙打印的黑白標(biāo)靶，樣式如圖2(b)所示。標(biāo)靶高度距地面約1.800 m。標(biāo)志主要分布在車(chē)庫(kù)四周的墻上和中間的支柱上，呈均勻分布，其中一部分用來(lái)作為控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，另一部分作為檢查點(diǎn)測(cè)量成果精度。

布標(biāo)的另一個(gè)作用是連接測(cè)站之間的激光點(diǎn)，若架設(shè)測(cè)站位置不適合用平面標(biāo)靶，在數(shù)據(jù)采集時(shí)使用臨時(shí)可移動(dòng)的三維標(biāo)靶，連接測(cè)站之間的激光點(diǎn)。

2.3 激光掃描

對(duì)停車(chē)場(chǎng)整個(gè)空間進(jìn)行掃描和拍照，包括與地上的連接部分。根據(jù)控制測(cè)量成果，獲取實(shí)地空間位置的三維點(diǎn)云和影像。由于地下空間比較暗，照片基本不能直接使用。本次研究采用的掃描設(shè)備有4種：徠卡架站式P20、徠卡背包、Z+F架站式5010C、華泰天宇的iMS3DⅠ代推車(chē)。其中，P20架設(shè)6站，共獲得47 058 413個(gè)激光點(diǎn)；Z+F 5010C架設(shè)13站，共獲得117 305 250個(gè)激光點(diǎn)；徠卡背包使用了慣導(dǎo)設(shè)備，共獲得11 265 550個(gè)激光點(diǎn)；iMS3D只掃描了車(chē)庫(kù)平的部分，獲得32 031 289個(gè)激光點(diǎn)。獲得的點(diǎn)云分布如圖3所示。為了顯示清楚，點(diǎn)云經(jīng)過(guò)了抽稀，由于Ⅰ代設(shè)備不帶慣導(dǎo)，在入口處沒(méi)有采集數(shù)據(jù)。

圖3 掃描點(diǎn)云分布

3 成果精度對(duì)比

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

架站式激光掃描儀和不帶慣導(dǎo)的激光掃描推車(chē)，采集的成果為任意坐標(biāo)系下坐標(biāo)；而徠卡背包設(shè)備在地下空間掃描之前需要接收衛(wèi)星信號(hào)，獲得的是WGS-84坐標(biāo)，在成果比較之前，需要轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。本次研究利用同一坐標(biāo)成果的同一組控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)，最終的坐標(biāo)系統(tǒng)采用南京92地方坐標(biāo)系、吳淞高程。激光點(diǎn)云成果利用這些控制點(diǎn)，采用四參數(shù)，轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)，再利用控制點(diǎn)擬合高程值到吳淞高程。具體采用的方法為：①對(duì)于架站式激光掃描儀，首先利用硬件自帶的軟件，拼接所有站點(diǎn)云數(shù)據(jù)為一整體；再根據(jù)控制點(diǎn)，用數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)；最后根據(jù)明顯高程點(diǎn)轉(zhuǎn)換高程基準(zhǔn)到吳淞高程。②對(duì)于推車(chē)式激光掃描儀，首先利用硬件自帶的軟件，解算激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)；再根據(jù)控制點(diǎn)，用數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)；最后根據(jù)明顯高程點(diǎn)轉(zhuǎn)換高程基準(zhǔn)到吳淞高程。③對(duì)于有POS系統(tǒng)的掃描設(shè)備，首先利用硬件自帶的軟件，解算掃描軌跡線和點(diǎn)云數(shù)據(jù)WGS-84下的坐標(biāo)；利用WGS-84與南京92坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使用專(zhuān)用程序直接把WGS-84下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為南京92坐標(biāo)和吳淞高程。

3.2 成果精度對(duì)比分析

3.2.1 獲得點(diǎn)云特征點(diǎn)

在TerraSolid軟件的前視圖中，用強(qiáng)度信息渲染獲得的激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以獲得標(biāo)靶的圖像。若沒(méi)有提供強(qiáng)度信息，則用RGB顏色渲染。具體圖像如圖4所示。架站式激光掃描儀可以獲得比較清楚的人工標(biāo)靶圖像，特別是Z+F激光掃描儀可以清晰辨認(rèn)標(biāo)靶的標(biāo)號(hào)數(shù)字；而徠卡背包能夠基本獲得標(biāo)靶的圖像，可以確定標(biāo)靶中心的坐標(biāo)。

另外，盡量獲得測(cè)量的建筑特征要素特征點(diǎn)處的點(diǎn)云坐標(biāo)。對(duì)于密度較大(400+點(diǎn)/m2)的激光掃描，可以直接捕捉特征點(diǎn)處的坐標(biāo)；對(duì)于密度較小的激光掃描，采用擬合線特征相交的方法獲得特征點(diǎn)處的坐標(biāo)。若以上兩種方法還不能獲得特征點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)，則放棄這樣的點(diǎn)。

3.2.2 特征點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比分析

使用全站儀一共測(cè)量了74個(gè)地物或標(biāo)靶的特征點(diǎn)，主要分布在車(chē)庫(kù)四周墻上、頂面橫梁與墻的交角、支撐立柱的側(cè)面或棱角處，以及頂面通風(fēng)口的拐角等特征點(diǎn)處。由于各掃描設(shè)備架站或行走的路徑不同，有些點(diǎn)受汽車(chē)的遮擋，不能獲得有效的特征點(diǎn)位坐標(biāo)。對(duì)于墻上人工布標(biāo)點(diǎn)，有些掃描不能獲得可判讀的信息，也會(huì)失去部分特征點(diǎn)坐標(biāo)的提取。特征點(diǎn)坐標(biāo)是根據(jù)掃描的點(diǎn)云對(duì)掃描點(diǎn)處或附近(小于1 mm)直接提取點(diǎn)本身的坐標(biāo)，對(duì)于特征點(diǎn)附近沒(méi)有激光點(diǎn)而通過(guò)點(diǎn)云渲染圖可以識(shí)別特征點(diǎn)的情況，采用特征相交法獲得點(diǎn)云坐標(biāo)。具體特征點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2.2.1 特征點(diǎn)數(shù)量

以徠卡P20設(shè)備對(duì)比的36個(gè)特征點(diǎn)為基準(zhǔn)，Z+F 5010C由于有一個(gè)點(diǎn)被汽車(chē)擋住，沒(méi)有掃描到。而徠卡背包和iMS3DⅠ主要是因?yàn)閽呙椟c(diǎn)云在特征點(diǎn)處非常稀少或根本就沒(méi)有點(diǎn)，不能描述特征點(diǎn)的坐標(biāo)，使得徠卡背包只有29個(gè)點(diǎn)，iMS3DⅠ只有24個(gè)點(diǎn)。這也說(shuō)明對(duì)于特征點(diǎn)的精細(xì)識(shí)別，iMS3DⅠ最弱，徠卡背包稍好一些。

3.2.2.2 坐標(biāo)殘差均值

坐標(biāo)殘差均值能夠反映殘差中是否還有系統(tǒng)誤差存在，判斷標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的原理和性能不同而定。從對(duì)比結(jié)果看，徠卡背包具有參加比較設(shè)備最大的殘差平均值+0.042 m(X方向)，由于該設(shè)備是使用POS系統(tǒng)獲得的測(cè)量坐標(biāo)，因此筆者認(rèn)為這樣的殘差值在合理的范圍之內(nèi)，不屬于系統(tǒng)差。而參加比較的其他設(shè)備，幾乎都在0.020 m之內(nèi)，屬于合理的范圍。

3.2.2.3 中誤差

中誤差反映了測(cè)量點(diǎn)與期望真值的偏離程度。本次研究除了徠卡背包使用POS系統(tǒng)直接獲得激光點(diǎn)云坐標(biāo)之外，其他的3種設(shè)備都用測(cè)量的控制點(diǎn)進(jìn)行的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。而徠卡背包獲得的坐標(biāo)成果，也使用了同樣的控制點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)差消除處理。因此，可以認(rèn)為4種設(shè)備使用了同一技術(shù)規(guī)則進(jìn)行對(duì)坐標(biāo)真值的解算，是可以比較中誤差的。從對(duì)比的結(jié)果來(lái)看，徠卡背包的高程方向最弱，為0.128 m。iMS3DⅠ的X方向最弱，為0.115 m。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，滿足1∶500數(shù)字線劃圖精度要求。

3.2.3 線段長(zhǎng)度對(duì)比

用激光點(diǎn)特征點(diǎn)計(jì)算的線段長(zhǎng)度與實(shí)際測(cè)量的長(zhǎng)度比較，可以分析使用激光掃描采集數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度變形情況。根據(jù)掃描的車(chē)庫(kù)形狀，抽取出4橫4縱共8條線段比較分析，具體情況見(jiàn)表2。

表2 線段長(zhǎng)度對(duì)比表

表2顯示了激光點(diǎn)云獲得的線段長(zhǎng)度與全站儀測(cè)量的長(zhǎng)度對(duì)比結(jié)果：徠卡背包絕對(duì)較差最大，為0.155 m；Z+F 5010C絕對(duì)較差最小，為0.051 m；而對(duì)于相對(duì)較差而言，iMS3DⅠ最大，為0.73%；Z+F 5010C最小，為0.24%。

3.3 對(duì)比結(jié)果分析

無(wú)論是特征點(diǎn)坐標(biāo)還是線段長(zhǎng)度的精度對(duì)比結(jié)果，靜態(tài)的激光掃描(Z+F 5010C、徠卡P20)比動(dòng)態(tài)的激光掃描(iMS3DⅠ、徠卡背包)精度高。結(jié)果說(shuō)明，基于激光掃面的特征點(diǎn)位置精度受激光點(diǎn)的掃描方式、密度等因素的影響，靜態(tài)掃描精度高于動(dòng)態(tài)掃面精度，但都能滿足地下空間三維地理信息獲取的需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究主要比較分析了4種激光掃描儀對(duì)同一目標(biāo)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。結(jié)果表明，可以用推掃式激光掃描設(shè)備采集地下空間位置，雖然精度比架站式低，但掃描效率高。本次掃描區(qū)域不大，可以嘗試更大、更復(fù)雜的空間范圍，將有利于深入比較各種設(shè)備性能，研究激光掃描地下空間的工藝流程。

致謝：特別感謝對(duì)本次研究提供設(shè)備支持的南京航空航天大學(xué)、徠卡公司(武漢)、上海華測(cè)公司、北京華泰天宇公司。

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AnalysisonthePrecisionofLaserScanningPointCloudinUndergroundSpace

HAN Wenquan1,2，HU Wusheng1，CHEN Xin2，WANG Menghe2

(1. School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210009,China；2. Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co. Ltd.，Nanjing 210019，China)

The point cloud data of underground space were acquired with four kinds of laser scanning devices，and three-dimensional coordinates of the feature points in the area were measured with the total station. All data used unified spatial reference. The three-dimensional coordinates of feature points were obtained from the point cloud data separately. The analysis of two measurements showed that the accuracy of position using mobile scanning device was slightly lower than using static one，the mean square error was 0.128 m in the weakest direction，on the contrast the static was 0.039 m.The measurement precision of 1∶500 DLG can be obtained by the mobile laser scanning device in the underground space.

underground space; laser scanning; point cloud; precision comparison

2017-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(41574022)；江蘇省科技支撐工業(yè)計(jì)劃(BE2014026)；江蘇省測(cè)繪地理信息科研項(xiàng)目(JSCHKY201606)

韓文泉(1974—)，男，博士，高工，主要從事三維地理信息和激光掃描數(shù)據(jù)處理工作。E-mail：lidar_hwq@163.com

韓文泉，胡伍生，陳昕，等.地下空間激光掃描點(diǎn)云精度對(duì)比分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(12)：72-76.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0382.

P237

A

0494-0911(2017)12-0072-05