三維激光掃描技術(shù)在地下人防工程中的應(yīng)用實(shí)踐

馬雪萍，陳立民

(鎮(zhèn)江市勘察測(cè)繪研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測(cè)量的方法，以點(diǎn)云的形式獲取物體或地形表面的三維空間尺寸信息和反射率信息[1]，并可以逼真地保留被掃描對(duì)象的紋理。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法相比，三維激光掃描技術(shù)具有高效率、高精度、非接觸主動(dòng)測(cè)量等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有效避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間長、重復(fù)測(cè)量、工作效率低等弊端[2]，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。

某地下人防工程建成于“文革”后期，鑒于當(dāng)時(shí)的歷史條件，對(duì)于深層地下人防工程通道的位置未能予以正確標(biāo)定。為滿足工程后續(xù)規(guī)劃再利用要求，發(fā)揮人防工程作用，需要對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，獲取該人防工程的精確三維信息。但是，該人防工程通道上下立體兩層，結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，內(nèi)部四通八達(dá)，沒有通信訊號(hào)，沒有人工和天然光源，而且年代久遠(yuǎn)缺乏維護(hù)，用常規(guī)的測(cè)繪儀器無法進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)繪或者效率低下，測(cè)繪精度也無法保障。

經(jīng)過前期的充分調(diào)研和技術(shù)分析探討，項(xiàng)目組擬用美國法如三維激光掃描儀FARO Focus3DX330對(duì)該地下人防工程進(jìn)行三維激光掃描測(cè)繪。并以此為基礎(chǔ)，開展三維激光掃描技術(shù)在地下人防工程中的應(yīng)用研究，力爭探索并形成一套切實(shí)可行的外業(yè)三維掃描測(cè)繪、內(nèi)業(yè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、橫截面和平面圖繪制、漫游視頻制作等多個(gè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)流程。

2 三維激光掃描技術(shù)在地下人防工程中的測(cè)繪流程

第一步：現(xiàn)場踏勘及測(cè)量項(xiàng)目規(guī)劃，制定實(shí)施方案。

第二步：外業(yè)三維數(shù)據(jù)掃描實(shí)施，包括控制點(diǎn)布設(shè)、標(biāo)靶紙控制點(diǎn)測(cè)量、掃描站布設(shè)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集等。

第三步：點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理，利用法如掃描儀自帶的處理軟件FARO SCENE，對(duì)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查、預(yù)處理、數(shù)據(jù)拼接、整體運(yùn)算等操作。

第四步：三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用，包括可量測(cè)實(shí)景生成、橫截面和平面圖繪制、三維模型建立與交互處理等。

第五步：質(zhì)量評(píng)定。

3 外業(yè)三維數(shù)據(jù)掃描采集

在人防工程通道內(nèi)以及通道出口附近施測(cè)基礎(chǔ)控制點(diǎn)，在通道內(nèi)墻上的指定位置貼上掃描用標(biāo)靶紙，作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正的控制點(diǎn)。由于人防工程內(nèi)隧道四通八達(dá)，所以提前設(shè)計(jì)好掃描工作路線，防止發(fā)生遺漏，或者重復(fù)掃描的情況。利用FARO Focus3DX 330三維激光掃描儀，按照設(shè)計(jì)路線對(duì)隧道內(nèi)逐站掃描。外業(yè)掃描完成后，通過SCENE軟件把點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接處理好，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換校正到地方坐標(biāo)系當(dāng)中。

3.1 控制測(cè)量

首先在主通道洞口兩端各布設(shè)2個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)，使用Topcon Hiper SR型GPS-RTK接收機(jī)實(shí)施觀測(cè)，利用JSCORS中心提供的靜態(tài)后處理數(shù)據(jù)計(jì)算出4個(gè)GPS控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。然后在主通道內(nèi)布設(shè)一條附和導(dǎo)線，共施測(cè)二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)8個(gè)，利用Topcon全站儀觀測(cè)。所有控制點(diǎn)的高程成果均按照四等水準(zhǔn)的測(cè)量要求施測(cè)。

3.2 標(biāo)靶紙布測(cè)

為給后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供控制點(diǎn)，需在人防工程通道內(nèi)墻上控制點(diǎn)處張貼標(biāo)靶紙，每個(gè)地面控制點(diǎn)附近周圍墻上均勻布設(shè)3～4張標(biāo)靶紙。標(biāo)靶紙的布設(shè)要保證以下幾個(gè)原則，不能和測(cè)站點(diǎn)分布在同一直線上，同時(shí)它必須和測(cè)站通視、距離測(cè)站不宜太遠(yuǎn)，且保證相鄰站點(diǎn)間有3個(gè)及以上的公共標(biāo)靶點(diǎn)[3]。

由于通道內(nèi)墻壁年久失修，墻上石灰脫落，所以張貼標(biāo)靶紙的時(shí)候，先找到相對(duì)平滑的墻面，用鏟子鏟掉一層石灰層，標(biāo)靶紙后面和墻上都均勻涂好膠水，使得標(biāo)靶紙牢固不會(huì)脫落。另外，由于掃描工作量很大，達(dá)到幾百站，標(biāo)靶紙張貼好了之后，按照順序編號(hào)，同時(shí)在圖紙上標(biāo)繪出編號(hào)的相對(duì)位置，這樣規(guī)范作業(yè)，避免了后期點(diǎn)位混淆的問題。實(shí)測(cè)過程中，利用通道內(nèi)已經(jīng)布設(shè)完成8個(gè)二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)，使用全站儀分站測(cè)量墻上控制點(diǎn)坐標(biāo)并記錄編號(hào)，為了保證標(biāo)靶紙控制點(diǎn)的精度，全站儀實(shí)測(cè)過程中的支導(dǎo)線測(cè)量站數(shù)嚴(yán)格控制在3站以內(nèi)(包含3站)。該階段測(cè)量分為6個(gè)區(qū)塊完成，相鄰區(qū)塊間進(jìn)行30%的重復(fù)測(cè)量作為檢校，最終共布測(cè)標(biāo)靶紙控制點(diǎn)65個(gè)。

3.3 掃描站布設(shè)

兩個(gè)掃描站之間利用3個(gè)以上標(biāo)靶球進(jìn)行拼接，因此標(biāo)靶球的位置非常重要，而且在下一站掃描完成之前，不能改變標(biāo)靶球的位置，否則掃描銜接會(huì)出錯(cuò)，導(dǎo)致前面若干站掃描工作作廢。首先，規(guī)劃好掃描線路，按照既定路線進(jìn)行掃描，合理安排好工作時(shí)間和工作間歇的位置。在工作間歇的時(shí)候，做好標(biāo)靶球的位置標(biāo)記。這里采用的辦法是在放置標(biāo)靶球的位置地上貼上圓形標(biāo)記紙，這樣長時(shí)間暫停工作，即便標(biāo)靶球位置被人為不小心觸碰移位，也可以找到原來的位置。

地下人防工程通道內(nèi)基本沒有什么障礙物，根據(jù)掃描儀的參數(shù)，掃描站的布設(shè)根據(jù)實(shí)際情況 10 m～20 m左右架設(shè)一個(gè)站點(diǎn)，依次向前推進(jìn)。遇到路口或者轉(zhuǎn)折區(qū)域等特殊情況適當(dāng)調(diào)整布設(shè)的間距，完成掃描工作。本項(xiàng)目總計(jì)布設(shè)掃描站668站。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)將儀器放置在觀測(cè)環(huán)境中 30 min以上，掃描作業(yè)時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置點(diǎn)間距或采集分辨率，按照設(shè)計(jì)方案的要求布設(shè)掃描站點(diǎn)，使相鄰掃描站間有效點(diǎn)云的重疊度不低于30%，困難區(qū)域不低于15%。根據(jù)項(xiàng)目名稱、掃描日期、掃描站號(hào)等信息命名掃描站點(diǎn)，存儲(chǔ)掃描數(shù)據(jù)，并在大比例地形圖、平面圖或者草圖上標(biāo)注掃描站位置；掃描過程中出現(xiàn)斷電、死機(jī)、儀器位置變動(dòng)等異常情況時(shí)，初始化掃描儀，重新掃描。掃描結(jié)束后，將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋范圍完整性、標(biāo)靶數(shù)據(jù)完整性和可用性。對(duì)缺失和異常數(shù)據(jù)，及時(shí)安排補(bǔ)掃。經(jīng)過8天的掃描工作(含補(bǔ)充掃描)，共計(jì)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù) 151 GB。圖1為外業(yè)數(shù)據(jù)采集場景，圖中墻面上的白底黑色方塊標(biāo)記處為標(biāo)靶紙控制點(diǎn)，地面球體為標(biāo)靶球。

圖1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集場景

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀等。

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)可以基于控制點(diǎn)、標(biāo)靶、特征地物點(diǎn)進(jìn)行。本項(xiàng)目選用后兩種方法，首先使用標(biāo)靶球進(jìn)行配準(zhǔn)，采用三點(diǎn)定位的原理將點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合。每兩站之間，至少有3個(gè)公共標(biāo)靶球，實(shí)際操作時(shí)點(diǎn)選標(biāo)靶球的中心位置，軟件系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，配準(zhǔn)拼接過程快捷。在首步標(biāo)靶拼接配準(zhǔn)完成后，針對(duì)通視條件良好的掃描數(shù)據(jù)利用相鄰兩站掃描站上獲取的重合點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的特征地物點(diǎn)檢校和提高配準(zhǔn)精度。

本項(xiàng)目共有668站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云處理軟件SCENE進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)時(shí)，為了加快處理速度，減小整體誤差，共分為5個(gè)群集，群集之間有公共區(qū)域，通過標(biāo)記標(biāo)靶球拼接。

4.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

由于每個(gè)測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是相對(duì)獨(dú)立的[4]，且是自由坐標(biāo)系，需要利用控制點(diǎn)進(jìn)行糾正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到地方坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)。在本次施測(cè)的65個(gè)控制點(diǎn)中，點(diǎn)云拼接轉(zhuǎn)換使用了45個(gè)控制點(diǎn)，另外20個(gè)作為檢查點(diǎn)。為了操作方便，控制點(diǎn)導(dǎo)入前，進(jìn)行了偏移操作，偏移到靠近原點(diǎn)的位置。檢查點(diǎn)的中誤差為△X：0.021，△Y：0.025，△Z：0.008，精度滿足測(cè)量要求。

4.3 降噪與抽稀

降噪是指將測(cè)量時(shí)人員走動(dòng)綠化樹木等形成的無效點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除[5]。當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在脫離目標(biāo)物的異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)時(shí)，采用濾波或者人機(jī)交互進(jìn)行降噪處理；點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀時(shí)不應(yīng)影響目標(biāo)特征識(shí)別與提取，且抽稀后點(diǎn)間距應(yīng)滿足精度要求。

5 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用

5.1 繪制橫截面圖和二維平面圖

橫截面和平面圖繪制流程包括數(shù)據(jù)投影、矢量數(shù)據(jù)采集、圖形編輯和圖形整飾。點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有三維坐標(biāo)，利用該數(shù)據(jù)可以得到人防通道的平面圖數(shù)據(jù)和橫截面數(shù)據(jù)，采集人防通道頂?shù)赘叱痰?。具體做法是：使用法如SCENE軟件輸出.RCP格式的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)加載到AutoCAD 2014軟件上(如圖2所示)，并調(diào)整點(diǎn)云視圖，直接在點(diǎn)云上繪制特征線，生成平面圖(如圖3所示)。在AutoCAD 2014中進(jìn)行點(diǎn)云切片，用實(shí)線進(jìn)行連接，繪制出截面圖(如圖4所示)。

圖2 AutoCAD中加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

圖3 人防工程局部平面圖

圖4 截面圖

5.2 制作點(diǎn)云漫游視頻

(1)導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將Recap轉(zhuǎn)換完的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入視頻制作軟件，由于點(diǎn)云整體數(shù)據(jù)量太大，將點(diǎn)云分成6塊，依次進(jìn)行視頻的制作。

(2)添加視點(diǎn)

在視頻制作軟件中，按照隧道的走向，調(diào)整點(diǎn)云視角，逐個(gè)添加視點(diǎn)。

(3)生成動(dòng)畫

視點(diǎn)添加完成后，點(diǎn)擊生成動(dòng)畫的命令，即可將以上添加的視點(diǎn)串聯(lián)到一起，生成需要的點(diǎn)云漫游視頻，如圖5所示。

圖5 視頻漫游

6 質(zhì)量檢查與評(píng)價(jià)

在項(xiàng)目組自查互查的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)部門安排了專職檢查員進(jìn)行100%的過程檢查，對(duì)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了及時(shí)整改和復(fù)查，詳細(xì)編寫了過程檢查記錄；院質(zhì)量管控部安排技術(shù)力量實(shí)施了最終檢查，重點(diǎn)檢查了人防工程通道特征點(diǎn)的平面位置中誤差、間距中誤差、高程點(diǎn)精度以及掃描數(shù)據(jù)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性，并對(duì)項(xiàng)目成果、成圖質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)綜合評(píng)定，該項(xiàng)目成果質(zhì)量為良級(jí)品。各類數(shù)學(xué)精度指標(biāo)按 1∶500要求檢測(cè)情況如表1所示。

各類數(shù)學(xué)精度指標(biāo)檢測(cè)情況匯總表 表1

7 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

該項(xiàng)目通道大部分呈長條帶狀式，而且比較窄，布設(shè)的控制點(diǎn)大部分分布于主干道上，數(shù)據(jù)拼接轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后，通道分支端處的數(shù)據(jù)位置誤差明顯大于主干道；而且在掃描前期由于沒有完全熟悉通道內(nèi)部情況，在某個(gè)通道掃描一半遇到封閉墻只能原路返回，造成了重復(fù)掃描，浪費(fèi)了時(shí)間。

通過這個(gè)項(xiàng)目的順利實(shí)施形成的技術(shù)流程，為今后類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)：

(1)激光掃描工作開展之前先熟悉整體環(huán)境，最好能熟悉當(dāng)天工作范圍，規(guī)劃好掃描路徑，避免重復(fù)掃描同時(shí)也可以提高工作效率。

(2)遇到岔路口較多地方，作為點(diǎn)云糾正控制點(diǎn)的標(biāo)記點(diǎn)、標(biāo)靶紙需要多貼幾張，當(dāng)利用標(biāo)靶球拼接不夠用或者因特殊情況誤差比較大時(shí)可以用標(biāo)靶紙輔助拼接、進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核。

(3)全站儀導(dǎo)線控制點(diǎn)應(yīng)盡量多且均勻分布在整個(gè)測(cè)區(qū)，點(diǎn)間距根據(jù)整體情況來布置，點(diǎn)數(shù)量盡量多、帶狀數(shù)據(jù)最好每個(gè)掃描站里都有控制點(diǎn)，非帶狀環(huán)境則均勻分布整個(gè)掃描區(qū)域中。

(4)點(diǎn)云整體拼接位置偏差超出預(yù)期時(shí)可分為多個(gè)群集單個(gè)拼接，再利用控制點(diǎn)將單個(gè)群集坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最后可以整合所有數(shù)據(jù)減小累計(jì)誤差，提高整體精度。

8 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)是目前獲取三維空間數(shù)據(jù)的最先進(jìn)的技術(shù)之一，該技術(shù)作為傳統(tǒng)測(cè)量方法的有益補(bǔ)充，可以無接觸、高密度、高精度、快速地獲取地物信息。在該地下人防工程測(cè)繪過程中，項(xiàng)目組充分利用三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)，簡單、快速、安全、精確地獲取了非常詳細(xì)、高質(zhì)量數(shù)據(jù)圖像，大大地提高了工作效率，豐富了測(cè)繪成果內(nèi)容與形式，為今后推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在文物數(shù)字化保護(hù)、工程測(cè)量、數(shù)字城市三維可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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