移動式三維激光掃描儀在地下管廊測量中的應(yīng)用

檀繼猛，張鵬飛，邵士成，劉秀涵

(1. 濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043)

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及智慧城市的建設(shè)，我國城市地下的開發(fā)利用已經(jīng)達(dá)到了空前的規(guī)模[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)對城市地下管網(wǎng)的可視、可管、可控，需要利用數(shù)字化測量手段對城市地下管線數(shù)據(jù)進(jìn)行普查測繪，逐步實(shí)現(xiàn)對城市地下管網(wǎng)的智能化監(jiān)控[3]。

近幾年備受關(guān)注的三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測量中單點(diǎn)測量的模式，能夠快速獲取物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有高效率、高精度、非接觸式主動測量等優(yōu)勢[4-7]。本文采用基于SLAM技術(shù)的移動式三維激光掃描儀對地下管廊進(jìn)行測量，利用Trimble Realworks軟件對管線數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，分類提取管道的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后輔以全站儀常規(guī)測量手段對其精度進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

1 測區(qū)概況

測區(qū)位于山東省濟(jì)南市福地街旁某地塊，應(yīng)業(yè)主要求進(jìn)行地下管線測量工作，由于地形復(fù)雜、資料不全等原因，地下綜合管廊的地理信息數(shù)據(jù)基本沒有，在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)管廊中包含電力、電信、給水、熱力等管線，且管廊一端連通排污管溝，污水遍布，氣味難聞，常規(guī)設(shè)備如GPS、全站儀等無法進(jìn)行使用，而且測繪人員無法在其中久待，如果采用物探設(shè)備勘測，因資料缺乏，排水溝的走勢方向都不清楚，無法高效作業(yè)且精度不高，容易錯測漏測，采用開挖方式成本又太高?；诖朔N現(xiàn)狀，決定采用移動式三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，以最大限度地呈現(xiàn)管廊的現(xiàn)狀。

2 移動式三維激光掃描

2.1 GEOSLAM ZEB-REVO移動掃描儀

ZEB-REVO采用手持移動掃描的方式便可實(shí)現(xiàn)對小空間及大空間進(jìn)行高精度高效率的掃描作業(yè)，打破了傳統(tǒng)移動掃描觀念。在作業(yè)過程中便可實(shí)時自動處理掃描數(shù)據(jù)，使得管線測量工作更輕量化和簡單化，為地下空間、礦山巷道等方面提供最有效的解決方案。

2.2 控制測量

為了使三維激光掃描儀的成果與工程所需坐標(biāo)基準(zhǔn)一致，需要在地下管廊所處位置的地面布設(shè)足夠密度和精度的控制點(diǎn)，結(jié)合實(shí)地地形條件和地下管廊的位置情況，本次掃描采用基于目標(biāo)的配準(zhǔn)方案，控制點(diǎn)分兩組布設(shè)，分別位于地下管廊起始兩端的地面位置，控制點(diǎn)需要保證空曠且與地下管廊有聯(lián)通，控制點(diǎn)呈銳角三角形分布，點(diǎn)間距離至少10 m。本次控制點(diǎn)布設(shè)采用了濟(jì)南市CORS網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行控制測量，外業(yè)掃描前，在控制點(diǎn)上架設(shè)球形標(biāo)靶。如圖1所示，共布設(shè)6個控制點(diǎn)，其中C1、C2、C3布設(shè)在地下管廊出口位置附近地面，C4、C5、C6布設(shè)在地下管溝起始位置所在地面。

2.3 掃描作業(yè)

為了保證掃描作業(yè)的順利進(jìn)行，必須在掃描前對地下管廊進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，確定掃描路線。在線性掃描環(huán)境中，通常采用多任務(wù)全局拼接的方法，選擇特征點(diǎn)較多的區(qū)段作為前后兩次掃描任務(wù)的拼接控制區(qū)，通過控制區(qū)將點(diǎn)云“首尾相連”地拼接起來。

選擇合適的單次掃描距離是保證掃描質(zhì)量的關(guān)鍵?？紤]到本次需掃描的地下管廊長度在200 m左右，為了滿足測量的精度要求，需要將每次掃描時間控制在15 min以內(nèi)，故將本次掃描工作分為8次掃描任務(wù)，根據(jù)地下管廊現(xiàn)場環(huán)境確定前后兩次掃描重合區(qū)域，保證兩次掃描具有一定的掃描重疊度，根據(jù)筆者掃描經(jīng)驗(yàn)，掃描重疊區(qū)域需要保證15～20 m。

3 數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用

3.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

采用分段掃描時，每次掃描任務(wù)所獲取的點(diǎn)云屬于不同的參考坐標(biāo)系，因此需要將多次掃描的點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，并轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，從而將點(diǎn)云拼接成一個三維整體的過程，這就是點(diǎn)云的配準(zhǔn)[8]。常用的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法包括基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)和基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。

基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)方法即根據(jù)同名特征(重疊掃描區(qū)域)三維信息的ICP配準(zhǔn)法，根據(jù)點(diǎn)間距平方和最小的原則，對兩次掃描過程中重疊掃描的點(diǎn)進(jìn)行不斷迭代，尋求最佳轉(zhuǎn)換矩陣，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)[9-10]；對點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)后，可對配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量檢查，以3 cm為誤差限值，配準(zhǔn)重疊率至少70%，若超過限值則需要重新配準(zhǔn)，直至滿足精度要求。

基于目標(biāo)的配準(zhǔn)方法是在測區(qū)布設(shè)多個標(biāo)靶，通過掃描儀獲取至少3個標(biāo)靶的點(diǎn)云信息，掃描完成后通過擬合標(biāo)靶處三維點(diǎn)云的中心點(diǎn)作為掃描標(biāo)靶的中心，對其賦予實(shí)際坐標(biāo)，即可完成點(diǎn)云配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。配準(zhǔn)后的地下管廊點(diǎn)云如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)去噪

在對地下管廊中的掃描過程中，不可避免地會將地面堆積物、電纜等不必要的信息包含在點(diǎn)云內(nèi)部，這將會對點(diǎn)云的配準(zhǔn)精度、可視化及三維建模產(chǎn)生影響，因此需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

利用Trimble Realworks軟件對配準(zhǔn)重合區(qū)域進(jìn)行單點(diǎn)少量去噪，增加點(diǎn)云配準(zhǔn)精度；運(yùn)用軟件的區(qū)域分割功能，將多余的無意義的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切剔除，增加點(diǎn)云的可視化效果；對需要建模的區(qū)域則采取單點(diǎn)少量去噪，剔除地下管道周邊的噪點(diǎn)，以便對管道進(jìn)行三維建模。

3.3 數(shù)據(jù)重采樣

由于采取分段掃描的模式獲取數(shù)據(jù)，相鄰兩次掃描任務(wù)之間有一部分重疊區(qū)域，在數(shù)據(jù)拼接過程中會造成數(shù)據(jù)冗沉，影響作業(yè)效率，因此有必要在不影響數(shù)據(jù)精度的情況下，對點(diǎn)云進(jìn)行重采樣。利用Trimble Realworks軟件中“取樣”工具，根據(jù)測區(qū)情況和點(diǎn)云的完整情況選擇取樣模式，設(shè)置某一取樣閾值，經(jīng)過重采樣后生成新的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

本次數(shù)據(jù)重采樣采用基于空間的取樣模式，選擇10 mm的采樣間距，經(jīng)過重采樣處理，既保留了原有地下管廊及管道的結(jié)構(gòu)特征，又消減了數(shù)據(jù)存儲空間，提高了作業(yè)效率。

3.4 分類提取

根據(jù)項(xiàng)目總體需求，在點(diǎn)云模型的基礎(chǔ)上需要對地下管廊中的管線特征點(diǎn)進(jìn)行分類提取，生成帶有地下管線屬性和空間位置的數(shù)據(jù)。對地下管廊內(nèi)部的管線進(jìn)行分類，以“高度階化色彩”渲染顯示點(diǎn)云,使得不同位置的管線更易于區(qū)分，再對不同管線進(jìn)行分類標(biāo)注。如圖3所示，采用Trimble Realworks軟件的“特征集”功能提取管線點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)管線種類建立特征集數(shù)據(jù)庫，新建管線特征碼，對不同管線特征點(diǎn)進(jìn)行分類提取。管線數(shù)據(jù)成果以ASC格式進(jìn)行輸出，通過更改文件格式導(dǎo)入CASS軟件或EPS軟件中繪制管線圖。

3.5 精度分析

為了驗(yàn)證該方法結(jié)果的可靠性，利用全站儀選取部分地面驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。三維激光掃描儀采集得到的點(diǎn)云中拾取驗(yàn)證點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并與全站儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，特征點(diǎn)坐標(biāo)對比結(jié)果見表1，其中序號1、10為控制點(diǎn)處的球靶中心點(diǎn)，序號2、3為地下管廊北出口與地面連接處的明顯特征點(diǎn)，序號4、5、6、7、8、9均為地下管廊與地面連接的豎井的井蓋中心點(diǎn)。

表1 全站儀與三維激光掃描儀測量點(diǎn)位坐標(biāo)對比

注：因數(shù)據(jù)保密需要，表中坐標(biāo)已進(jìn)行加密處理。

由表中數(shù)據(jù)可知：驗(yàn)證點(diǎn)在X方向上的坐標(biāo)較差的最小值為0.01 m，最大值為0.138 m；Y方向上的坐標(biāo)較差的最小值為0.011 m，最大值為0.133 m；Z方向上的坐標(biāo)較差的最小值為0.01 m，最大值為0.1 m，滿足本次工程的測量精度要求。

4 結(jié) 語

本文利用移動式三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測量方法對地下管廊測量進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：移動式三維激光掃描技術(shù)具有全站儀無可比擬的優(yōu)勢，能夠全面地反映管線的表面特征，解決了傳統(tǒng)方法在地下管廊測量中的不足，不僅保證了測量精度，而且大大提高了作業(yè)效率。本文通過實(shí)際項(xiàng)目對移動式三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地下管線測量進(jìn)行了研究，為今后的城市地下空間測繪提供了作業(yè)依據(jù)，也推動了移動式三維激光掃描技術(shù)在工程測量、古文物保護(hù)、三維數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。