三維激光掃描技術(shù)在道路測繪中的應(yīng)用

詹軍　付強(qiáng)

摘 ?要：三維激光掃描技術(shù)作為一種快速實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域的一次技術(shù)革新，它通過全景化的快速測量方法獲取高分辨率、精細(xì)的地理空間對象表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為建立精細(xì)的三維實(shí)體模型提供了必備的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該文以三維激光掃描技術(shù)在昌平區(qū)路側(cè)停車項(xiàng)目中景文屯路的施測過程為例，詳細(xì)地介紹了三維激光掃描作業(yè)的全過程，并對數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而確定三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;點(diǎn)云去噪;點(diǎn)云拼接;點(diǎn)云配準(zhǔn)

中圖分類號：P204 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是國內(nèi)近期發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，為空間信息的獲取提供了全新的技術(shù)方法，三維激光掃描技術(shù)與全站儀測量技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)相比，有非接觸測量、數(shù)據(jù)采樣率高、分辨率高、全景畫等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用于測繪領(lǐng)域，為廣大科研人員和工程技術(shù)人員提供了一種全新的解決問題的手段，為工程與科學(xué)研究提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，是測量方式的一次創(chuàng)新[1]。

1 三維激光掃描技術(shù)基本原理

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成。其最主要的組成部分之一三維激光掃描儀，由激光發(fā)射器、接收器、時間計數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD相機(jī)以及軟件等構(gòu)成三維掃描儀的測距和測角等系統(tǒng)。激光測距方法主要有基于測距法、相位測距法、激光三角法、脈沖-相位式測距法等四種類型，目前測繪領(lǐng)域所使用的三維激光掃描儀中脈沖測距法使用居多。通過測角系統(tǒng)獲取掃描儀至待測物體的水平角和垂直角，進(jìn)而計算出待測物體的三維坐標(biāo)信息。

三維激光掃描儀在記錄激光點(diǎn)三維坐標(biāo)的同時也會將激光點(diǎn)位置處物體的反射強(qiáng)度值記錄下來，內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)的掃描儀在掃描過程中可以方便、快速地獲取外界物體真實(shí)的色彩信息，在掃描、拍照完成后，我們不僅可以得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，也獲取了物體表面的反射率信息和色彩信息。所以包含在點(diǎn)云信息里的不僅有X、Y、Z、Intensity，還包括每個點(diǎn)的RGB數(shù)字信息。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間排列形式以線掃描點(diǎn)云居多，采用逐行（或列）的掃描方式，獲得的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有一定的結(jié)構(gòu)關(guān)系[2]。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取

三維掃描數(shù)據(jù)獲取主要包含資料搜集與現(xiàn)場踏勘，控制方案設(shè)計、掃描方案設(shè)計及現(xiàn)場掃描過程等內(nèi)容，

掃描控制方案主要為外業(yè)掃描服務(wù)，其目的主要包含兩個：其一是實(shí)現(xiàn)不同控制坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化;其二是實(shí)現(xiàn)不同視角，尤其是涉及不通視或者相鄰掃描數(shù)據(jù)重疊度低的時候，不同坐標(biāo)系掃描數(shù)據(jù)的拼接。

掃描方案應(yīng)包含控制網(wǎng)、掃描設(shè)備選擇、站點(diǎn)布設(shè)圖、掃描順序、擬站點(diǎn)掃描密度等。掃描設(shè)備主要參數(shù)包含最遠(yuǎn)掃描范圍、角度分辨率及點(diǎn)位精度、掃描速度、激光安全登記以及反射率等。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 點(diǎn)云去噪

點(diǎn)云的噪聲去除是點(diǎn)云預(yù)處理的關(guān)鍵操作之一，噪聲去除的目標(biāo)即是要去除不相關(guān)的目標(biāo)，得到“干凈”的目標(biāo)點(diǎn)云。在作業(yè)過程中，最常見的噪聲主要有環(huán)境噪聲和目標(biāo)噪聲等。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中，一般按照不同尺度的噪聲進(jìn)行濾除，首先按照順序?qū)?shù)據(jù)環(huán)境噪聲去除，環(huán)境噪聲去除后可以降低分析數(shù)據(jù)的范圍和數(shù)據(jù)量，然后再去除目標(biāo)噪聲即可。

2.2.1.1 環(huán)境噪聲去除

在環(huán)境噪聲去除中，大多數(shù)是依靠手工去除的辦法，并結(jié)合給噪聲設(shè)置閥值進(jìn)行采用由遠(yuǎn)及近、由小到大的策略進(jìn)行半自動化噪聲濾除。首先掃描對象邊緣遠(yuǎn)處的目標(biāo)返回點(diǎn)，通過距離閾值來進(jìn)行濾除;其次，對對掃描區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)做空間柵格劃分并聚類點(diǎn)集，將小尺度目標(biāo)去除，對于掃描區(qū)域內(nèi)的移動目標(biāo)，常采用孤立線性點(diǎn)集的自動濾除算法來實(shí)現(xiàn)。

對于比較明顯的噪聲數(shù)據(jù)，可采取手工刪除的方法剔除。

2.2.1.2 目標(biāo)噪聲去除

由于三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量比較大且目標(biāo)噪聲一般在目標(biāo)點(diǎn)云的表面，一般可用系統(tǒng)自動判斷的方法進(jìn)行處理。其常用方法有弦高法、距離值法和曲率法等。思路都是基于給定的閾值，如果點(diǎn)數(shù)據(jù)大于閾值則判斷為異常點(diǎn)，各方法之間的差異在于選取的度量值不同。曲率法判斷的依據(jù)為點(diǎn)與相鄰點(diǎn)之間的矢量夾角;弦高法根據(jù)點(diǎn)與相鄰點(diǎn)連線的距離判斷;距離值法是先將點(diǎn)與相鄰點(diǎn)之間擬合為直線段或平面，然后對點(diǎn)到擬合線或平面之間的距離進(jìn)行判斷。

2.2.2 點(diǎn)云拼接

因掃描儀掃描視距的限制，開展外業(yè)掃描工作均不能一站完成，而是要設(shè)立多個測站對掃描目標(biāo)進(jìn)行全方位，有重疊度的掃描。這就需要將多個測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一拼接處理，使之成為方便內(nèi)業(yè)處理的一個完整的全景圖或幾個分塊圖，即點(diǎn)云的拼接，點(diǎn)云的拼接是通過獲取2個或多個標(biāo)靶的中為位置進(jìn)行。利用TopoDOT、EPS等點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件，通過電腦自動識別的方式標(biāo)定平面標(biāo)靶或球狀目標(biāo)進(jìn)行有效的拼接，對于無法實(shí)現(xiàn)自動提取的則應(yīng)采用手工的方式認(rèn)為標(biāo)定重心的位置[1]。圖1為采用自動識別和人工干預(yù)相結(jié)合的方式進(jìn)行拼接后的效果圖。

2.2.3 坐標(biāo)配準(zhǔn)

掃描站點(diǎn)是三維激光掃描儀在一個固定的位置上進(jìn)行掃描所獲取的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相關(guān)的控制數(shù)據(jù)。掃描過程中儀器是固定的，所以一個掃描站中的所有書籍都是統(tǒng)一以掃描設(shè)備為中心的局部坐標(biāo)系單站數(shù)據(jù)，站點(diǎn)是點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)的基本單位。

配準(zhǔn)方式分為逐站配準(zhǔn)與整體配準(zhǔn)2類，其中逐站配準(zhǔn)即為兩兩相鄰站點(diǎn)之間不斷配準(zhǔn)合并，最后得到整體的數(shù)據(jù)模型。

整體配準(zhǔn)的方式就是以某一站為基礎(chǔ)，解算所有站點(diǎn)到基站的空間變換參數(shù)，得到配準(zhǔn)模型，這樣可以一次性完成配準(zhǔn)過程，無誤差累積，整體精度高[3]。

2.2.4 點(diǎn)云抽稀

點(diǎn)云抽稀常用的方法有系統(tǒng)抽稀方法、基于格網(wǎng)的抽稀方法、基于TIN的抽稀方法、基于坡度的抽稀方法及基于流處理的抽稀方法等。

根據(jù)獲取數(shù)據(jù)的情況及工程的大小，在進(jìn)行導(dǎo)入繪圖平臺進(jìn)行要素提取前，還需要進(jìn)行光滑、切割等多種操作。

2.2.5 道路要素提取

在該案例中，數(shù)據(jù)處理采用EPS點(diǎn)云數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行作業(yè)，將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS系統(tǒng)，利用地圖符號進(jìn)行道路平面圖的繪制，如圖2所示。在該項(xiàng)目中，要求將道路的已有車位線、斑馬線、隔離帶、綠化帶、道路兩側(cè)步道，道路兩側(cè)污水篦子和道路兩側(cè)樹木等情況進(jìn)行詳細(xì)測繪描述，因三維激光掃描技術(shù)以全景復(fù)制的方式進(jìn)行掃描，路中的每一個要素均被記錄下來，為后續(xù)成圖提供了方便。

3 精度分析

為了驗(yàn)證三維掃描的精度，將配準(zhǔn)得到的標(biāo)靶坐標(biāo)與用全站儀測量的坐標(biāo)值進(jìn)行對比分析，其數(shù)據(jù)結(jié)果見表1（為了計算方便，坐標(biāo)統(tǒng)一進(jìn)行平移）。

由表2統(tǒng)計算得出其平面點(diǎn)位中誤差為2.2 mm，高程中誤差為4.3 mm，滿足普通道路測量的精度要求。

6 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)在測繪工程中的應(yīng)用越來越廣泛，將其應(yīng)用到道路工程具有較好的實(shí)用價值，同時也為道路、公路等線狀工程的特征檢驗(yàn)提供了新的方法。利用三維掃描的方式進(jìn)行作業(yè)，不受時間的限制可全天候進(jìn)行掃描，外業(yè)投入的人員較少，得到的數(shù)據(jù)為全景復(fù)制，信息非常全面，對于開展場地復(fù)雜，要求采集內(nèi)容較多的項(xiàng)目，能達(dá)到事半功倍的效果。但在進(jìn)行外業(yè)掃描時，受到視線長度的限制，各測站之間需要50%以上的重疊度。如果在空曠地區(qū)，采集內(nèi)容較為稀疏的項(xiàng)目則不建議使用。

參考文獻(xiàn)

[1]王宴民，黃明，王國利.地面激光雷達(dá)與攝影測量三維重建[M].北京：科學(xué)出版社，2018.

[2]盧其垡.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)用[J].北京測繪，2020，34（5）：623-627.

[3]曹建軍.三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程斷面測量中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2020，43（4）：108-109，113.