徠卡RTC360三維激光掃描儀在竣工測(cè)量中的應(yīng)用

汪曉慧，吳曉培

(浙江省測(cè)繪大隊(duì)，浙江 杭州 310030)

隨著科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)繪科學(xué)技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于三維建模、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1-2]。傳統(tǒng)的三維激光掃描技術(shù)存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、點(diǎn)云拼接過于繁瑣等問題，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為點(diǎn)云大數(shù)據(jù)處理提供了平臺(tái)，新型點(diǎn)云自動(dòng)拼接三維激光掃描儀的出現(xiàn)，解決了點(diǎn)云拼接問題，使得三維激光掃描儀能快速應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域[3-6]。三維激光掃描技術(shù)被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，其能快速獲得原始的測(cè)繪數(shù)據(jù)，并完整、高精度地重建實(shí)體,地面三維激光掃描將傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量發(fā)展為面測(cè)量，可以高效率、高質(zhì)量、低成本地獲取海量的空間數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)的特征信息[7-8]。

本文采用徠卡RTC360三維激光掃描儀快速獲取工程實(shí)例的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，原始點(diǎn)云經(jīng)智能拼接處理生成點(diǎn)云模型并繪制竣工圖，經(jīng)過驗(yàn)證比對(duì)，精度符合規(guī)范要求，充分顯示了徠卡RTC360三維激光掃描儀的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 儀器結(jié)構(gòu)組成

儀器由三維激光掃描頭、3個(gè)HDR相機(jī)和內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)3個(gè)部分組成，還配置了工作時(shí)架放儀器的三腳架和方便查看數(shù)據(jù)的平板電腦，腳架每邊分為四節(jié)，可根據(jù)高度需求自由縮放；外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)可通過平板電腦實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)和作業(yè)時(shí)間。

1.2 核心技術(shù)

RTC360三維激光掃描儀融合了徠卡三大核心先進(jìn)技術(shù)：TruRTC實(shí)景復(fù)制技術(shù)、VIS視覺追蹤技術(shù)、SmartReg智能拼接技術(shù)，使RTC360三維激光掃描儀與徠卡FIELD 360外業(yè)操控軟件、REGISTER 360智能拼接軟件完美結(jié)合，設(shè)備輕便，操作簡(jiǎn)單，是一套集智能、簡(jiǎn)單、高效、極速于一體的三維激光掃描儀。

(1)TruRTC實(shí)景復(fù)制技術(shù)：RTC360內(nèi)置3個(gè)相機(jī)，單鏡頭時(shí)可達(dá)1200萬像素，全景照片時(shí)可達(dá)4.32億像素，成像質(zhì)量高，現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)更加逼真，HDR全景照片采集時(shí)間僅需1 min，不受環(huán)境光源影像，滿足了不同場(chǎng)景的照片采集。

(2)VIS視覺追蹤技術(shù)：VIS通過5個(gè)內(nèi)置相機(jī)和IMU實(shí)時(shí)計(jì)算出連續(xù)兩個(gè)站的相對(duì)位置，供精準(zhǔn)的點(diǎn)云拼接，整個(gè)過程中無需標(biāo)靶，無需公共點(diǎn)，無需人工干預(yù)，全自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)智能化拼接，簡(jiǎn)單高效。

(3)SmartReg智能拼接技術(shù)：Field360 App現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)拼點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高點(diǎn)云拼接速度與精度；Register360一鍵導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，全自動(dòng)化拼接，簡(jiǎn)化內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程，工作更高效。

1.3 主要性能

RTC360掃描儀具有全方位視角掃描、速度快、精度高的特點(diǎn)，擁有3600×3000的掃描視場(chǎng)角，130 m的有效范圍，掃描速率高達(dá)2 000 000點(diǎn)/s，最高點(diǎn)位精度達(dá)到1.9 mm，HDR相機(jī)單鏡頭時(shí)達(dá)到3600萬像素，具有一塊電池達(dá)到4 h的超長(zhǎng)蓄電能力，視覺追蹤技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算前一站的相對(duì)位置，保證了點(diǎn)云的自動(dòng)拼接功能。

2 作業(yè)流程

采用RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行竣工測(cè)量主要是以內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔的作業(yè)模式，其作業(yè)過程包括外業(yè)實(shí)地點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)測(cè)圖3大部分，如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集分為前期路線規(guī)劃、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和采集數(shù)據(jù)檢查3個(gè)步驟。前期通過對(duì)測(cè)區(qū)周邊地形情況的了解，初步規(guī)劃好架設(shè)站點(diǎn)位置；根據(jù)規(guī)劃好的路線和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況逐站進(jìn)行掃描，掃描過程中根據(jù)項(xiàng)目要求設(shè)置好相應(yīng)的采集參數(shù)，在掃描過程中點(diǎn)的密度分為高、中和低3個(gè)等級(jí)，可根據(jù)項(xiàng)目要求和掃面對(duì)象的復(fù)雜程度自主選擇，每站掃描完成直接搬站，無需對(duì)中整平等煩瑣步驟；每站數(shù)據(jù)采集完成可通過外業(yè)操控平板電腦對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，數(shù)據(jù)采集完成可對(duì)整條采集路線數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云拼接、控制點(diǎn)導(dǎo)入、點(diǎn)云去噪和數(shù)據(jù)輸出5部分，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是在Cyclone軟件中進(jìn)行的，軟件數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行處理的；點(diǎn)云的拼接是通過一定的約束條件將多站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系中的過程，拼接完成之后將得到一個(gè)項(xiàng)目的完整點(diǎn)云，通過旋轉(zhuǎn)和平移的方法對(duì)有重合的兩站點(diǎn)云進(jìn)行拼接，主要有基于標(biāo)靶的拼接和基于點(diǎn)云視圖的拼接兩種方法；點(diǎn)云拼接完成且拼接誤差合格后加入控制點(diǎn)得到絕對(duì)坐標(biāo)，然后通過相應(yīng)的去噪功能進(jìn)行點(diǎn)云去噪，分為整體去噪和局部去噪兩種方式，軟件點(diǎn)云輸出包括LAS、RCP和E57等多種格式。

2.3 模型精度檢查及點(diǎn)云模型測(cè)圖

對(duì)生成的點(diǎn)云模型中均勻分布的地物點(diǎn)對(duì)模型精度進(jìn)行檢查，模型精度合格方能進(jìn)行點(diǎn)云模型測(cè)圖。點(diǎn)云模型測(cè)圖主要是在CloudWorx for AutoCAD軟件進(jìn)行的，軟件通過讀取Cyclone軟件服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，在AutoCAD繪圖軟件中支持海量的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，AutoCAD軟件強(qiáng)大的繪圖功能與精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合，可繪制各種線畫圖，并提取物體的各特征要素，同時(shí)還可以兼容南方CASS繪圖軟件，直接繪制地物并添加屬性。

2.4 外業(yè)精度檢查

竣工圖測(cè)繪完成后通過野外進(jìn)行調(diào)繪對(duì)遮擋和錯(cuò)誤表示的要素進(jìn)行補(bǔ)測(cè)修改,圖面整飾完成后從圖中抽取均勻分布的主要地物點(diǎn)進(jìn)行精度檢查。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)測(cè)區(qū)概括

試驗(yàn)項(xiàng)目位于浙江省臺(tái)州市椒江區(qū)某地的拆遷安置房，整個(gè)試驗(yàn)測(cè)區(qū)面積約0.05 km2，如圖2所示。由于是剛建好的拆遷安置房，測(cè)區(qū)主要以房屋和道路為主，植被主要是低矮的綠化，基本沒有高大的樹木，因此存在的遮擋情況較小，比較適合利用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云建模。

3.2 數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集共架設(shè)了62站，采用低密度的掃描方式，分別架設(shè)在分岔路口和房屋之間有空隙的區(qū)域，在保證能全方位無死角的掃描到測(cè)區(qū)每個(gè)區(qū)域的情況下，盡量減少數(shù)據(jù)冗余。以圓形標(biāo)靶的形式測(cè)繪了10個(gè)控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)分別以不同的時(shí)段測(cè)量了兩次，每次測(cè)量不超過兩個(gè)測(cè)回，每個(gè)測(cè)回平面誤差不差過2 cm，高程誤差不超過3 cm，以保證控制點(diǎn)的精度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

采集的點(diǎn)云導(dǎo)入Cyclone軟件中進(jìn)行處理，由于RTC掃描儀具有自動(dòng)拼接功能，因此采用基于點(diǎn)云視圖的方法進(jìn)行拼接，由平面視圖和高程視圖兩部分組成，部分拼接視圖如圖3和圖4所示。拼接過程中連續(xù)的相鄰兩站一般不需要人工干預(yù)，只要通過對(duì)其進(jìn)行檢查對(duì)局部沒有拼接到位的細(xì)微區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，由于VIS視覺追蹤技術(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算相鄰兩站有一定的時(shí)間限制，針對(duì)相隔時(shí)間較久的相鄰兩站需要進(jìn)行人工拼接。從圖5整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的拼接報(bào)告中可以看出，最大的拼接誤差為24 mm，最小的為10 mm，符合拼接要求，即可生成點(diǎn)云模型，通過在模型上添加標(biāo)靶控制點(diǎn)，導(dǎo)入坐標(biāo)信息進(jìn)行絕對(duì)定向，得到相應(yīng)坐標(biāo)系的點(diǎn)云模型。如圖6所示。

3.4 基于點(diǎn)云模型的竣工圖測(cè)繪

(1)立面圖：在CloudWorx for AutoCAD軟件中通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云立面切片，根據(jù)點(diǎn)云紋理繪制立面圖，如圖7所示。在每部分繪制過程中，通過點(diǎn)云刷新系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電腦配置顯示相應(yīng)密度的點(diǎn)云，對(duì)于點(diǎn)云模糊不清的區(qū)域，可根據(jù)高清全景照片查看模糊細(xì)節(jié)。繪制完畢后關(guān)閉點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即可獲得立面圖，如圖8所示。

(2)竣工地形圖：繪制房屋、電桿等立體地物時(shí)，在CloudWorx for AutoCAD軟件中以高程視角找到相應(yīng)高度的位置和厚度進(jìn)行切片剪裁，切換到平面視角進(jìn)行繪制。在點(diǎn)云切片面可根據(jù)地物特征進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)采集，可直接調(diào)用南方CASS作圖軟件中的相應(yīng)地物進(jìn)行繪制，通過點(diǎn)云刷新，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電腦配置顯示相應(yīng)密度的點(diǎn)云，對(duì)于點(diǎn)云模糊不清的區(qū)域，可根據(jù)高清全景照片查看模糊細(xì)節(jié)。每一個(gè)切片對(duì)應(yīng)的地物繪制完畢后，可在剪切管理器中將切片刪除，再重新根據(jù)繪制地物對(duì)象剪切相應(yīng)的切片。全部數(shù)據(jù)采集完成后直接將點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)閉，即可獲得相應(yīng)的矢量地形圖。

3.5 成果精度評(píng)定

為了檢驗(yàn)點(diǎn)云模型測(cè)量立面圖和矢量地形圖的精度，采用鋼卷尺量測(cè)了一些窗戶和門的寬度和高度，并用TS02全站儀均勻測(cè)量了棱角分明的特征點(diǎn)，主要是精度要求較高的房角點(diǎn)，以實(shí)地量測(cè)的坐標(biāo)作為點(diǎn)云模型測(cè)量地形圖的檢查點(diǎn)。通過式(1)計(jì)算檢查點(diǎn)和模型上采集數(shù)據(jù)的平面中誤差和高程中誤差，驗(yàn)證基于點(diǎn)云模型矢量化地形圖的精度[9]。

(1)

3.5.1 立面精度分析

立面測(cè)繪精度主要以測(cè)區(qū)西北面幾幢房屋的立面測(cè)繪圖作為依據(jù)，測(cè)繪了每幢房屋4個(gè)面的立面效果圖，外業(yè)分別測(cè)量了窗戶、門和墻體的寬和高進(jìn)行對(duì)比，另外還測(cè)量了一些明顯的地物加入相對(duì)寬度的對(duì)比，并生成相對(duì)誤差精度分布圖，如表1、圖9所示。

表1 立面相對(duì)精度統(tǒng)計(jì) m

通過表1可知，中誤差為0.015 m,其中最大誤差為0.029 m，最小誤差為0。通過圖9可知，相對(duì)精度誤差主要分布在-0.01～0.02 m之間，符合立面精度要求。

3.5.2 矢量地形圖精度分析

為了檢測(cè)在點(diǎn)云模型上矢量化的地形圖的精度，以臺(tái)州市某個(gè)拆遷安置房掃描的點(diǎn)云模型作為檢測(cè)對(duì)象，實(shí)地測(cè)量了72個(gè)平面檢查點(diǎn)，12個(gè)高程檢查點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云矢量測(cè)圖精度進(jìn)行檢測(cè)，如表2、圖10所示。

表2 矢量地形圖平面精度統(tǒng)計(jì) m

從表2中可知，單個(gè)點(diǎn)位誤差最大為0.056 m，最小為0.006 m，點(diǎn)位中誤差為0.028 m。從圖10中可知，單個(gè)點(diǎn)位誤差大于0.05 m的有2個(gè)，超出限差范圍率為3%，平面精度基本分布在0～0.03 m之間，符合1∶500地形圖的平面精度要求。

表3 高程精度統(tǒng)計(jì) m

可計(jì)算出高程中誤差為0.016 m，從表3可得，最大高程誤差為0.027 m，最小為0.002 m；從圖11可知，高程誤差基本分布在-0.01～0.02 m之間，沒有超過精度誤差要求，完全符合1∶500地形圖高程精度要求。

4 結(jié) 語

徠卡RTC360三維激光掃描儀精度相對(duì)較高，操作簡(jiǎn)單方便，自動(dòng)拼接點(diǎn)云功能，高清的全景照片。在本次的立面和竣工地形圖的測(cè)繪試驗(yàn)中，立面相對(duì)誤差0.015 m，完全符合立面測(cè)繪的精度要求；矢量地形圖的平面中誤差0.028 m，高程中誤差0.016 m，符合竣工測(cè)繪要求。在試驗(yàn)過程中也存在一些問題，掃描過程中每個(gè)角落、每個(gè)拐角都要進(jìn)行搬站掃描，不適用大面積的地形測(cè)繪；掃描的有效距離為130 m，也限制了應(yīng)用于一些高樓的點(diǎn)云掃描，只能適用于一些中低樓的掃描；在掃描過程中存在頂部為掃描的盲區(qū)，因此在建立的點(diǎn)云模型中頂部沒有點(diǎn)云，完整的點(diǎn)云模型還需要后期無人機(jī)等設(shè)備的補(bǔ)充。在測(cè)繪地理信息行業(yè)的應(yīng)用中，RTC360掃描儀適用于低層樓的高精度立面測(cè)繪、小面積的竣工測(cè)繪、紋理復(fù)雜的三維建模和復(fù)雜管線的三維建模等高精度且復(fù)雜的三維建模，為無信號(hào)的隱蔽空間提供了建立三維模型的可能，為智慧城市提供了地面和地下三維模型的完整性。