地面三維激光掃描方案設(shè)計(jì)及外業(yè)數(shù)據(jù)采集

馬 娟，楊麗銷，朱家銳

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校測(cè)繪學(xué)院，云南 昆明 650033)

0 引 言

地面三維激光掃描儀在測(cè)繪地理信息領(lǐng)域中主要應(yīng)用于建筑物測(cè)繪、地形測(cè)量、土木工程測(cè)量等方面[1]，其掃描作業(yè)流程大致分為掃描方案設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理3部分。測(cè)繪工作中，原始測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，會(huì)對(duì)后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作造成直接影響，甚至無法推進(jìn)。因此，在地面三維激光掃描作業(yè)過程中，掃描方案設(shè)計(jì)和外業(yè)數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，更是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成果應(yīng)用的保障。

本文結(jié)合筆者所在院校購買的Topcon GLS-1500地面式三維激光掃描儀，根據(jù)多年在三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用課程教學(xué)和科學(xué)研究中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹如何根據(jù)掃描對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)合適的掃描方案以及開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。

1 掃描儀技術(shù)參數(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，掃描方案設(shè)計(jì)和外業(yè)數(shù)據(jù)采集必須考慮地面三維激光掃描儀的主要技術(shù)參數(shù)，如最大最小掃描距離、采樣密度、掃描角度范圍等，確保掃描方案和數(shù)據(jù)采集作業(yè)在技術(shù)上可行。

Topcon GLS-1500是拓普康公司推出的一款地面式三維激光掃描儀，主要技術(shù)參數(shù)：最大掃描距離150～330 m(18%～90%反射率)，最小掃描距離 1 m，測(cè)距精度 4 mm/150 m，最大采樣密度 1 mm/100 m，水平/豎直方向角度精度6″，最大掃描速度 30 000 點(diǎn)/s，水平方向掃描角度范圍0～360°，豎直方向掃描角度范圍-35～35°，雙軸補(bǔ)償、補(bǔ)償范圍±6′，工作方式為脈沖式。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法

熟悉地面三維激光掃描儀的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法有利于進(jìn)行掃描方案設(shè)計(jì)。地面三維激光掃描儀的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法主要有3種：基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法、基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法和基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接的數(shù)據(jù)采集方法[2]。

2.1 基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法

基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法類似于傳統(tǒng)測(cè)量，需要將掃描儀和標(biāo)靶架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，依次完成設(shè)站、定向、掃描等操作。該方法需要提前布設(shè)控制網(wǎng)，借助全站儀、RTK等儀器實(shí)施控制測(cè)量。在具體實(shí)施掃描時(shí)，由于經(jīng)過前期的控制測(cè)量，理論上各測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)(標(biāo)靶點(diǎn))的坐標(biāo)已經(jīng)統(tǒng)一在同一空間參考系統(tǒng)下，因此，后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的過程實(shí)質(zhì)上只是完成不同測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，無需再考慮坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，拼接精度高。采用基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法，不需要相鄰測(cè)站之間有重疊區(qū)域，一般適用于掃描對(duì)象范圍比較大且復(fù)雜的情況。

2.2 基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法

基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法不需要提前布設(shè)控制網(wǎng)，掃描儀和標(biāo)靶不用架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，測(cè)站和標(biāo)靶位置可以根據(jù)掃描對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征，選擇開闊區(qū)域任意設(shè)置。該方法的關(guān)鍵在于必須要在相鄰測(cè)站間設(shè)置至少3個(gè)不共線的標(biāo)靶且均與相鄰測(cè)站通視，目的是后期通過公共標(biāo)靶實(shí)現(xiàn)各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和拼接。該方法一般也不需要相鄰測(cè)站間有重疊區(qū)域，通常適用于掃描小型獨(dú)立對(duì)象，數(shù)據(jù)拼接精度高。

2.3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接的數(shù)據(jù)采集方法

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接的數(shù)據(jù)采集方法和基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法很相似，但區(qū)別在于該方法不需要標(biāo)靶加以輔助，只要保證相鄰測(cè)站間至少有30%的重疊點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可。由于該方法需要人工選擇重疊區(qū)域具有明顯特征的公共點(diǎn)完成點(diǎn)云配準(zhǔn)和拼接，過程復(fù)雜，和實(shí)施者的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，因此，數(shù)據(jù)拼接精度低于前2種方法，一般較少采用。

3 掃描方案設(shè)計(jì)

地面三維激光掃描儀在開展實(shí)際工作之前，需要制訂詳細(xì)的工作計(jì)劃，并做好準(zhǔn)備工作，主要包括根據(jù)掃描對(duì)象的不同和精度要求設(shè)計(jì)合理的掃描路線，確定恰當(dāng)?shù)牟蓸用芏?，大致確定掃描儀至掃描對(duì)象的距離、設(shè)站數(shù)和大致的設(shè)站位置、標(biāo)靶數(shù)和大致的標(biāo)靶位置等[3]。制訂掃描方案的目的是為了高效完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，以盡量少的設(shè)站數(shù)獲得盡量完整的掃描對(duì)象信息，減少掃描盲區(qū)，避免或減少后期補(bǔ)測(cè)工作量[4]。

為保證能完整、準(zhǔn)確地獲取掃描對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在測(cè)區(qū)范圍不大、距離不太遠(yuǎn)的情況下，建議盡可能到現(xiàn)場(chǎng)踏勘，制訂切實(shí)可行的掃描方案。若測(cè)區(qū)地形條件復(fù)雜或距離太遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際踏勘有困難，則可以根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)有的地形圖在圖紙上進(jìn)行掃描方案初步設(shè)計(jì),實(shí)地作業(yè)時(shí)，再結(jié)合掃描對(duì)象自身及周邊環(huán)境的具體情況靈活調(diào)整[5-6]。

值得注意的是，在制訂掃描方案之前，制訂者需要非常熟悉地面三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集方法，以便有利于根據(jù)掃描對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征、周圍環(huán)境以及掃描成果的具體應(yīng)用選擇合適的數(shù)據(jù)采集方法，而數(shù)據(jù)采集方法的確定往往直接影響掃描方案的制訂。

3.1 測(cè)量基準(zhǔn)和控制測(cè)量

地面三維激光掃描作業(yè)的平面坐標(biāo)系宜采用CGCS 2000，當(dāng)采用地方坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)與CGCS 2000建立聯(lián)系；高程基準(zhǔn)宜采用1985國家高程基準(zhǔn)，當(dāng)采用地方高程基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)與1985國家高程基準(zhǔn)建立聯(lián)系。當(dāng)然，用戶也可以根據(jù)需要自定義平面坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)[7]。

三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集過程中，各測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都有1個(gè)獨(dú)立的儀器坐標(biāo)系。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，若不需將掃描對(duì)象完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的國家或地方坐標(biāo)系中，僅僅為了后續(xù)獨(dú)立三維建模的需要，則不用提前進(jìn)行控制測(cè)量，只需在相鄰測(cè)站間至少架設(shè)3個(gè)公共標(biāo)靶，后續(xù)通過標(biāo)靶拼接或公共特征點(diǎn)拼接的方法，將各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到一起。

若掃描對(duì)象范圍比較大且復(fù)雜，則一般選擇基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法，需要提前布設(shè)控制網(wǎng)。方案制訂者應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和手頭已有的測(cè)區(qū)及周邊地形圖、正射影像圖和控制成果資料等，繪制掃描對(duì)象的控制網(wǎng)略圖，標(biāo)定控制點(diǎn)位置，統(tǒng)計(jì)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)。結(jié)合成果應(yīng)用目的，確定空間參考系統(tǒng)，利用全站儀、RTK等測(cè)量?jī)x器，獲取各控制點(diǎn)坐標(biāo)。需要明確一點(diǎn)，無論采用哪種空間參考系統(tǒng)，都必須結(jié)合掃描成果的最終應(yīng)用，以確定是否要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.2 測(cè)站和標(biāo)靶布設(shè)

測(cè)站和標(biāo)靶布設(shè)需要結(jié)合具體選擇的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法來確定。

若選擇基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法，經(jīng)過前期的控制測(cè)量，掃描儀和標(biāo)靶均架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，這種情況下測(cè)站布設(shè)需要考慮的因素相對(duì)比較單純，只需要根據(jù)掃描對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征、周圍環(huán)境，確定測(cè)站與掃描對(duì)象之間的空間位置關(guān)系，如掃描覆蓋范圍、掃描角度(正前方或側(cè)方)、掃描距離、最大仰角和最小俯角等，在保證掃描對(duì)象數(shù)據(jù)不遺漏的情況下，最后確定總共需要布設(shè)的測(cè)站數(shù)；而標(biāo)靶布設(shè)只需要考慮其與相對(duì)應(yīng)測(cè)站之間的通視良好即可，距離不宜過遠(yuǎn)，通常1個(gè)即能滿足要求。

若選擇基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法，測(cè)站和標(biāo)靶的設(shè)置除了考慮以上要素外，還需要考慮如何布設(shè)公共標(biāo)靶，以方便后期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和拼接。如點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一到國家或地方坐標(biāo)系，應(yīng)與國家或地方坐標(biāo)系中的已知點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

若選擇基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接的數(shù)據(jù)采集方法，則測(cè)站布設(shè)相對(duì)要靈活一些。由于該方法是利用相鄰測(cè)站獲取的點(diǎn)云重疊區(qū)域內(nèi)的公共特征點(diǎn)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和拼接，因此，測(cè)站布設(shè)時(shí)只需要保證相鄰測(cè)站間至少有30%的重疊區(qū)域即可，無需使用標(biāo)靶。當(dāng)然，若需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到國家或地方坐標(biāo)系中時(shí)，依然應(yīng)與國家或地方坐標(biāo)系中的已知點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

4 實(shí) 例

4.1 普通建筑立面掃描方案設(shè)計(jì)和外業(yè)數(shù)據(jù)采集

普通建筑區(qū)別于古建筑，是提供給人們進(jìn)行生產(chǎn)生活或其它活動(dòng)的空間場(chǎng)所。利用地面三維激光掃描儀對(duì)普通建筑立面進(jìn)行掃描，主要目的是建立建筑物三維模型，為數(shù)字城市建設(shè)服務(wù)。本文以我校教學(xué)大樓為例，說明普通建筑立面的掃描方案設(shè)計(jì)和外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。

4.1.1 掃描方案設(shè)計(jì)

教學(xué)大樓位于我校安寧校區(qū)中心位置，共5部分，包括1個(gè)主樓和4個(gè)附樓，主樓長(zhǎng)約 100 m、寬約 35 m、高約 50 m；附樓長(zhǎng)約 40 m，寬約 22 m，高約 15 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，大樓四周地勢(shì)相對(duì)平坦，前后有校內(nèi)主干道、籃球場(chǎng)、足球場(chǎng)、噴泉和聞道廣場(chǎng)等，均為水泥和瀝青路面，視野比較開闊，設(shè)站條件良好；左右兩側(cè)為綠化景觀及小路并通向校內(nèi)道路，樹多、大且茂密，設(shè)站相對(duì)受限。教學(xué)大樓外觀(東南向)如圖1所示。

本次掃描目的是為了更精確地獲得大樓的三維空間坐標(biāo)，構(gòu)建三維模型，以便將成果納入1987昆明坐標(biāo)系中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，結(jié)合掃描目的和精度要求以及Topcon GLS-1500三維激光掃描儀的功能，選擇基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法。

1)測(cè)量基準(zhǔn)和控制測(cè)量。此次掃描采用校區(qū)內(nèi)的2個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)(1987昆明坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn))作為起算點(diǎn)，以保證后期將教學(xué)大樓的三維模型納入地方坐標(biāo)系中。

布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，平面控制采用全站儀或RTK進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，高程控制采用四等水準(zhǔn)測(cè)量，建立測(cè)區(qū)的基礎(chǔ)控制，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集提供控制點(diǎn)坐標(biāo)。

2)掃描方案。制訂掃描方案時(shí)，綜合考慮以下幾個(gè)主要因素：教學(xué)大樓的建筑結(jié)構(gòu)、外物遮擋和自遮擋、掃描儀的最大仰俯角和最大掃描距離。由于教學(xué)大樓左右兩側(cè)外物遮擋較多，且自身建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在自遮擋現(xiàn)象，大樓外墻立面玻璃材料居多，容易發(fā)生鏡面反射，針對(duì)這些問題考慮采用多站多角度掃描，盡量在待掃描立面的正前方安置儀器，確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性和精度。本次掃描方案共布設(shè)16個(gè)測(cè)站、8個(gè)標(biāo)靶，測(cè)站和標(biāo)靶坐標(biāo)提前由控制測(cè)量完成。教學(xué)大樓掃描方案如圖2所示。圖2中，S代表測(cè)站位置，B代表標(biāo)靶位置，A代表掃描立面。數(shù)字標(biāo)注如“85(100)”，分別表示測(cè)站點(diǎn)到掃描立面的平距為 85 m，外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)掃描距離設(shè)置為 100 m。

部分測(cè)站描述如下。

測(cè)站S1對(duì)A1面進(jìn)行掃描，標(biāo)靶點(diǎn)B1，設(shè)站距離 85 m，掃描距離 100 m。

測(cè)站S2對(duì)A2、 A3面進(jìn)行掃描，標(biāo)靶點(diǎn)B1，設(shè)站距離 55 m，掃描距離 57 m。

測(cè)站S4、S5對(duì)教學(xué)大樓的A6面進(jìn)行掃描。因A6面下部樹木遮擋嚴(yán)重，遠(yuǎn)距離設(shè)站只能掃描上部，下部掃描只能繞過遮擋樹木近距離設(shè)站完成，因此，測(cè)站S4負(fù)責(zé)A6上部掃描，S5負(fù)責(zé)A6下部掃描，標(biāo)靶點(diǎn)均為B3，設(shè)站距離分別是 85 m 和 25 m，掃描距離分別是 100 m 和 30 m。此外，測(cè)站S5還擔(dān)負(fù)掃描A5和A8 2個(gè)面的任務(wù)，具體參數(shù)如圖2所示。

同樣，測(cè)站S9、S10對(duì)A12面進(jìn)行掃描。因教學(xué)大樓高約 50 m，若近距離設(shè)站，掃描儀的最大仰角無法到達(dá)頂部，建筑立面掃描不完整；若遠(yuǎn)距離設(shè)站，樹木又會(huì)對(duì)待掃描面造成遮擋，因此，考慮遠(yuǎn)距離布設(shè)測(cè)站S9用于掃描A12面的上部，近距離布設(shè)測(cè)站S10用于掃描A12面的下部，標(biāo)靶點(diǎn)均為B5，設(shè)站距離和掃描距離如圖2所示。

需要說明，教學(xué)大樓樓頂?shù)腁22面無法采用地面三維激光掃描儀實(shí)施掃描作業(yè)，可利用無人機(jī)搭載三維激光掃描系統(tǒng)完成。

4.1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

掃描方案制訂以后，即可實(shí)施外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。此次掃描中，各測(cè)站采樣分辨率水平和豎直方向均為 3 cm。以一個(gè)測(cè)站上的掃描作業(yè)為例，說明具體的掃描方法。

1) 安置儀器。將三維激光掃描儀和標(biāo)靶分別安置在相應(yīng)控制點(diǎn)上，對(duì)中整平。

2) 標(biāo)靶掃描。掃描儀開機(jī)自檢完成后，依次新建工程、新建測(cè)站、輸入測(cè)站點(diǎn)名稱和坐標(biāo)以及靶標(biāo)點(diǎn)名稱和坐標(biāo)，瞄準(zhǔn)標(biāo)靶實(shí)施掃描。掃描成功后，保存定向成果。

3) 立面掃描。標(biāo)靶掃描完成后，轉(zhuǎn)向待掃描立面，設(shè)置掃描范圍、掃描距離和掃描分辨率，實(shí)施掃描。

一測(cè)站掃描完成后，搬站，重復(fù)步驟1)～3)，直至全部掃描作業(yè)完成。

4.2 景觀小品掃描方案設(shè)計(jì)和外業(yè)數(shù)據(jù)采集

景觀小品一般體量較小、形狀不規(guī)則。利用地面三維激光掃描儀對(duì)景觀小品進(jìn)行掃描，主要還是為整體三維景觀建模服務(wù)，增加美觀性，起到點(diǎn)睛作用。本文以我校教學(xué)主樓前聞道廣場(chǎng)的景觀石為例，說明不規(guī)則物體的掃描方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集工作。

4.2.1 掃描方案設(shè)計(jì)

聞道廣場(chǎng)景觀石位于教學(xué)主樓聞道廣場(chǎng)噴泉水池上方，長(zhǎng)約 2 m、寬約 0.3 m、高約 1.5 m。本次掃描目的是為了構(gòu)建三維模型，不需要真實(shí)坐標(biāo)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，景觀石四周視野比較開闊，地勢(shì)平坦且均為水泥和瀝青路面，除南向距離水池欄桿較近、設(shè)站受限外，其它方向均無遮擋，可以靈活設(shè)站。聞道廣場(chǎng)景觀石全景如圖3所示。

圖3 聞道廣場(chǎng)景觀石Fig.3 Landscape stone in Wen Dao Square

根據(jù)景觀石的結(jié)構(gòu)特征，以及掃描目的和精度要求，結(jié)合其周邊環(huán)境和Topcon GLS-1500三維激光掃描儀的功能，選擇基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法。由于景觀石寬(厚度)約 0.3 m，不必單獨(dú)設(shè)站掃描，可以選擇將其納入某一個(gè)大面積主立面中，共同實(shí)施掃描。本次掃描方案共布設(shè)2個(gè)測(cè)站、3個(gè)標(biāo)靶，每個(gè)測(cè)站均掃描1大1小2個(gè)立面，以保證景觀石點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性。此外，現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定測(cè)站位置時(shí)，除考慮掃描距離外，還需要特別考慮掃描儀的豎直角度范圍，以保證在測(cè)站點(diǎn)安置掃描儀能夠通過掃描裝置看到景觀石的最高和最低處，確保實(shí)際掃描范圍和計(jì)劃掃描區(qū)域一致。測(cè)站和標(biāo)靶點(diǎn)需要在地面上做好臨時(shí)標(biāo)志。聞道廣場(chǎng)景觀石掃描方案如圖4所示，測(cè)站1掃描1、22個(gè)立面，測(cè)站2掃描3、42個(gè)立面，測(cè)站1和測(cè)站2均與3個(gè)標(biāo)靶通視良好。

圖4 聞道廣場(chǎng)景觀石掃描方案Fig.4 Scanning scheme of landscape stone in Wen Dao square

4.2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

掃描方案制訂好以后，即可選擇合適的時(shí)間、天氣實(shí)施外業(yè)數(shù)據(jù)采集。出發(fā)前，施測(cè)者務(wù)必檢查掃描設(shè)備及配件是否準(zhǔn)備齊全，人員是否到位。到達(dá)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)后，按照提前制訂的掃描方案，找到地面上的臨時(shí)標(biāo)志，安置掃描儀和標(biāo)靶，注意保證3個(gè)標(biāo)靶之間應(yīng)有高度差。主要掃描步驟如下。

1)儀器安置。將三維激光掃描儀和標(biāo)靶分別安置在測(cè)站1、標(biāo)靶1、標(biāo)靶2、標(biāo)靶3處，對(duì)中整平。

2)標(biāo)靶掃描。掃描儀開機(jī)自檢完成后，依次新建工程、新建測(cè)站。采用基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法不需要輸入測(cè)站坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)，只需依次掃描3個(gè)標(biāo)靶。

3)景觀石掃描。標(biāo)靶掃描完成后，轉(zhuǎn)向景觀石待掃描立面，設(shè)置掃描范圍、掃描距離和掃描分辨率，實(shí)施掃描。各測(cè)站采樣分辨率水平和豎直方向均為 5 mm。

一測(cè)站掃描完成后，搬站，重復(fù)步驟1)～3)，直至全部掃描作業(yè)完成。

5 外業(yè)數(shù)據(jù)采集注意事項(xiàng)

Topcon GLS-1500三維激光掃描儀通過瞄準(zhǔn)待掃描目標(biāo)的左上角和右下角完成掃描范圍設(shè)置。由于儀器視角不同于人的觀察視角，因此施測(cè)者在設(shè)置掃描范圍的左上、右下時(shí)必須考慮立體幾何構(gòu)圖的“近高遠(yuǎn)低”現(xiàn)象，確保瞄準(zhǔn)的左上、右下角點(diǎn)是“最高”和“最低”點(diǎn)，以保證設(shè)置的掃描范圍能夠?qū)⒋龗呙枘繕?biāo)完全包含在內(nèi)，沒有遺漏。以規(guī)則建筑立面為例說明，如圖5所示，分3種情況討論。

圖5 測(cè)站與待掃描立面位置關(guān)系圖Fig.5 The relative position of station and scanning facade

圖中，A、B、C、D、F分別是待掃描建筑立面的頂端左上角、頂端正中位置、頂端右上角、底端左下角、底端右下角處的點(diǎn)。

1)測(cè)站位于待掃描立面的正前方，如圖5(a)所示。根據(jù)“近高遠(yuǎn)低”原理，從掃描儀視角出發(fā)，B點(diǎn)是物體頂部離掃描儀最近的點(diǎn)，是待掃描立面的最高點(diǎn)。因此，在設(shè)置掃描范圍的左上角時(shí)，應(yīng)先瞄準(zhǔn)B點(diǎn)，再平移至左上角。這樣操作后，施測(cè)者會(huì)發(fā)現(xiàn)，平移后的掃描儀瞄準(zhǔn)的左上角位置實(shí)際上比A點(diǎn)位置要高出許多。當(dāng)設(shè)置掃描范圍的右下角時(shí)，由于D、F均為最低點(diǎn)，故直接將掃描儀瞄準(zhǔn)F點(diǎn)即可。筆者做過試驗(yàn)，若不考慮“近高遠(yuǎn)低”現(xiàn)象，直接將掃描范圍的左上角設(shè)置在A點(diǎn)處，則待掃描建筑立面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)頂部會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較有規(guī)律的弧形缺口，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，如圖6所示。

圖6 未考慮“近高遠(yuǎn)低”造成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失 Fig.6 Defective data caused by “near high and far low” is not considered in point cloud

2)測(cè)站未安置在待掃描立面的正前方，如圖5(b)所示。根據(jù)“近高遠(yuǎn)低”原理，從掃描儀視角出發(fā)，A點(diǎn)是物體頂部離掃描儀最近的點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)是物體底部離掃描儀最遠(yuǎn)的點(diǎn)，二者分別是待掃描立面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。因此，設(shè)置掃描范圍的左上、右下時(shí)，直接瞄準(zhǔn)A點(diǎn)、F點(diǎn)即可。

3)測(cè)站未安置在待掃描立面的正前方，如圖5(c)所示。這種情況雖然類似于圖5(b)，但掃描儀安置的位置不同。圖5(c)中，從掃描儀視角出發(fā)，C、D兩點(diǎn)分別是物體頂部和底部距離掃描儀最近和最遠(yuǎn)的點(diǎn)，但二者卻不是待掃描立面的左上角和右下角。設(shè)置掃描范圍時(shí)，依然需要先瞄準(zhǔn)C點(diǎn)再平移至A點(diǎn)，瞄準(zhǔn)D點(diǎn)再平移至F點(diǎn)。

6 結(jié) 語

掃描方案設(shè)計(jì)和外業(yè)數(shù)據(jù)采集是三維激光掃描儀順利開展掃描作業(yè)，生產(chǎn)合格成果，并成功應(yīng)用于行業(yè)的基礎(chǔ)和保障。本文從地面三維激光掃描儀的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法入手，介紹了制訂掃描方案的目的和內(nèi)容，并結(jié)合Topcon GLS-1500地面式三維激光掃描儀，通過2種不同類型的掃描對(duì)象實(shí)例，詳細(xì)論述了掃描方案制訂和外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法，并對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中需要注意的關(guān)鍵問題作了闡述。結(jié)果表明，綜合考慮以上因素后，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在完整性、拼接精度、空間參考一致性等方面可靠性均有增加。