三維激光掃描儀后方交會(huì)建站的研究與運(yùn)用

王昊

【摘? 要】作為一種空間信息數(shù)據(jù)獲取的新技術(shù)手段，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)繪手段相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用越來越廣泛，三維激光掃描儀的使用頻率也在不斷增加。但在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，受外業(yè)環(huán)境遮蔽等因素影響對(duì)掃描儀的設(shè)站靈活程度也有了更大的考驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描儀;后方交會(huì)方法;應(yīng)用

引言

后方交會(huì)法首先出現(xiàn)于測(cè)繪地形圖工作中，測(cè)量上稱為“三點(diǎn)題”，是用圖解法作為加密圖根點(diǎn)之用。后來隨著解析法、公式法的出現(xiàn)，在工程建設(shè)控制測(cè)量中也經(jīng)常被采用。利用后方交會(huì)可以實(shí)現(xiàn)自由設(shè)站，應(yīng)用范圍之廣說明了此法的實(shí)用性很強(qiáng)。

如上所示為全站儀的后方交會(huì)方法，將儀器架在 P 點(diǎn)上，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn) A 點(diǎn)，輸入 A 點(diǎn)的坐標(biāo)，在 A 點(diǎn)立棱鏡，測(cè)出 P 點(diǎn)至 A 的平距，然后將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn) B 點(diǎn)，輸入 B 點(diǎn)的坐標(biāo)，在 B 點(diǎn)立棱鏡，測(cè)出 P點(diǎn)至 B 的平距，這時(shí)候全站儀就能計(jì)算出 P 點(diǎn)的坐標(biāo)。既然全站儀可以通過兩個(gè)已知點(diǎn)位置確認(rèn)自身方位，那三維激光掃描儀是否可以運(yùn)用此原理來確定被測(cè)物體方位，從而實(shí)現(xiàn)拼接呢？

在三維激光掃描的作業(yè)過程中，往往我們對(duì)于兩站間的拼接就需要三張標(biāo)靶，這似乎已經(jīng)成為基本常識(shí)了，那有沒有其它的方式可以減少?gòu)堎N標(biāo)靶的數(shù)量呢？本文將會(huì)運(yùn)用Trimble Realworks點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行掃描儀后方交會(huì)建站的一般研究。其優(yōu)勢(shì)不僅可以較少的張貼標(biāo)靶，消除累積誤差，提高點(diǎn)云精度，并對(duì)改變傳統(tǒng)拼站模式提供了其它可能。

1.測(cè)試

首先在位于項(xiàng)目部的北側(cè)主樓墻和南側(cè)食堂墻面上放置了兩張標(biāo)靶。經(jīng)測(cè)算，兩張標(biāo)靶相距73.8m。隨后在項(xiàng)目部的院子中對(duì)不同位置放置三維激光掃描儀三次，獲取3站掃描數(shù)據(jù)。

將所測(cè)得的點(diǎn)云加載后進(jìn)入后方交會(huì)建站頁面，會(huì)在第一步顯示所在測(cè)站即正在進(jìn)行測(cè)站的設(shè)置過程，在第二步中輸入儀器高并記錄在測(cè)站測(cè)試中。傳統(tǒng)后方交會(huì)方式中除被測(cè)物坐標(biāo)外，還需量取與被測(cè)物的平距，但在三維激光掃描領(lǐng)域可以運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量進(jìn)行代替。

輸入儀器高后即完成了第二步，接下來第三步為提取目標(biāo)。此時(shí)我們要做的就是將所需要拼接的測(cè)站內(nèi)標(biāo)靶進(jìn)行提取，值得注意的是一定要分清楚并備注每一張標(biāo)靶的位置，確保在定義后視時(shí)符合邏輯關(guān)系，才能將測(cè)站進(jìn)行拼接，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

例如我對(duì)第一站的兩張標(biāo)靶分別標(biāo)注為“主樓1”及“食堂1”，將第二站標(biāo)注為“主樓2”及“食堂2”，將第三站標(biāo)注為“主樓3”及“食堂3“，并符合以下表中規(guī)則進(jìn)行第四步的標(biāo)靶選定。

這個(gè)規(guī)律類似水準(zhǔn)測(cè)量中的前后視規(guī)律，以此類推進(jìn)行站與站的拼接，得到完整的點(diǎn)云成果，并可以看到在其殘差僅為2.51mm。并對(duì)其點(diǎn)云成果進(jìn)行切片對(duì)比，沒有出現(xiàn)點(diǎn)云分層的現(xiàn)象，說明了此種方式常規(guī)作業(yè)的可能性。

2.問題與設(shè)想

盡管在標(biāo)靶數(shù)量上已做到了兩張標(biāo)靶，并且拼站效果喜人，但這只是限于一定有效空間內(nèi)的掃描作業(yè)，即重復(fù)環(huán)境拼接中減少了一張標(biāo)靶紙。往往我們?cè)诿鎸?duì)很多長(zhǎng)距離線性掃描時(shí)因?yàn)橐媾R傳遞還是要貼不少的標(biāo)靶，只是如今標(biāo)靶數(shù)量減少了三分之一而已。果真如此嗎，在一定空間也好，長(zhǎng)距離空間也罷，其區(qū)別在于前者標(biāo)靶傳遞方式多樣且穩(wěn)定，而后者的標(biāo)靶傳遞方式單一且易于積累誤差，如果可以在后方交會(huì)建站的基礎(chǔ)上讓標(biāo)靶坐標(biāo)的傳遞靈活起來，才是完美的解決方案。

在后方交會(huì)建站頁面中輸入儀器高這個(gè)問題上，也可以選擇不輸入或?yàn)?，原因?yàn)楹蠓浇粫?huì)的兩個(gè)標(biāo)靶以及掃描儀所一直保持的垂直姿態(tài)，已經(jīng)構(gòu)成交會(huì)的必要條件。同理，那我們?cè)趯Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)套入道控制點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)是否有兩個(gè)控制點(diǎn)就足夠了？經(jīng)過測(cè)試，答案是允許的。

兩張標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就可以讓其傳遞不再受其它測(cè)站標(biāo)靶的干擾，并依靠這兩張標(biāo)靶進(jìn)行后方交會(huì)建站，使標(biāo)靶傳遞方式更多樣（兩站內(nèi)直接后方交會(huì)，兩站外分組后進(jìn)行坐標(biāo)拖移，整體數(shù)據(jù)可以在Realworks軟件中進(jìn)行精調(diào)），并由于只受坐標(biāo)誤差影響從而消除了累積誤差。并且，任意切換掃描位置，不用考慮任何拼接不上的情況，也不用因?yàn)橐恍﹩渭優(yōu)榱诉B接而掃不需要的重復(fù)數(shù)據(jù)造成多余勞動(dòng)量反而降低了精度的尷尬情況。

從上圖中我們可以很直觀的看到運(yùn)用后方交會(huì)建站時(shí)連接性測(cè)站數(shù)和標(biāo)靶數(shù)都在減少。下面我們以實(shí)例來闡述其優(yōu)點(diǎn)。

3.運(yùn)用

3.1準(zhǔn)備工作

因后方交會(huì)建站的便利性，非常適合運(yùn)用在大面積掃描方向，例如本次在機(jī)場(chǎng)的飛行區(qū)地塊掃描。全程將使用兩張傳統(tǒng)標(biāo)靶紙貼在對(duì)中桿上使其可以重復(fù)移動(dòng)。并使用天寶SPS930全站儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量并獲取坐標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)使用項(xiàng)目控制點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)誤差在5毫米以內(nèi)。

3.2實(shí)施過程

飛行區(qū)掃描儀建站示意

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行合理選點(diǎn)，并使用120m有效測(cè)距的天寶TX8掃描儀進(jìn)行作業(yè)。本次標(biāo)靶間隔選定為60m，結(jié)合飛行區(qū)地塊大致橫向長(zhǎng)300m，共將標(biāo)靶放置6次，兩兩為一組共三組。開始掃描時(shí)，只需要保證掃描儀可以看到每組的兩張標(biāo)靶，并在一旁的全站儀及時(shí)進(jìn)行標(biāo)靶打點(diǎn)就可以了。內(nèi)業(yè)處理時(shí)，在組內(nèi)運(yùn)用后方交會(huì)建站功能保證一組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，組與組之間通過全站儀打點(diǎn)進(jìn)行控制點(diǎn)坐標(biāo)和點(diǎn)云的兩兩匹配。

3.3調(diào)整過程

盡管現(xiàn)在可以基本滿足點(diǎn)云拼接，但在內(nèi)業(yè)處理時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于距離和角度的不理想，標(biāo)靶識(shí)別不在中心的情況，這就是出現(xiàn)點(diǎn)云重影或分層的重要因素。故此，需要進(jìn)行平面調(diào)整使兩個(gè)標(biāo)靶識(shí)別中心重疊在一起，這里可以運(yùn)用精細(xì)化配準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)強(qiáng)制擬合，也可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

兩個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行目標(biāo)配準(zhǔn)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)其中一個(gè)或兩個(gè)標(biāo)靶殘差值都過大的情況。這時(shí)，我們可以參照全站儀控制點(diǎn)的位置，判斷出具體殘差較大的標(biāo)靶，并向其相應(yīng)方向移動(dòng)。在出現(xiàn)殘差值的視圖下拖動(dòng)平面光標(biāo)，結(jié)合變動(dòng)的殘差值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使兩個(gè)標(biāo)靶殘值減到最小，即被認(rèn)為是最正確的值。在完成此系列的處理后得到的完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行后續(xù)的點(diǎn)云成果運(yùn)用了，本次使用后方交會(huì)建站的方法測(cè)得了較為準(zhǔn)確的飛行區(qū)地塊面積。

4.結(jié)語

綜上所述，將三維激光掃描技術(shù)與后方交會(huì)建站原理進(jìn)行結(jié)合可以有以下特點(diǎn)：（1）兩張標(biāo)靶配準(zhǔn)時(shí)如果殘差較大可以參考坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行有目的性的動(dòng)態(tài)調(diào)整;（2）兩張標(biāo)靶進(jìn)行后方交會(huì)建站即可完成點(diǎn)云配準(zhǔn)，外業(yè)工作量減少且成果依舊可靠;（3）兩張標(biāo)靶形成的獨(dú)立系統(tǒng)內(nèi)可進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的平移旋轉(zhuǎn)，此種方式可消除多站拼接帶來的累計(jì)誤差。

參考文獻(xiàn)

[1]周昌義.全站儀后方交會(huì)原理與經(jīng)緯儀后方交會(huì)原理的異同[J].科協(xié)論壇（下半月），2010（11）：97.

[2]肖正偉.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量的應(yīng)用[J].磚瓦，2020（06）：101-102.

[3]劉昌霖.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)探究及應(yīng)用[J].科技信息，2014（05）：61+35.