地面三維激光掃描數(shù)據(jù)拼接方法評估

程宇航,林宇龍,白征東,辛浩浩

(1.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053)

地面三維激光掃描技術(shù)作為一種主動式獲取物體表面三維密集點(diǎn)云的測量技術(shù)，具有測量速度快、精度高、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市建筑物三維建模、古建筑保護(hù)、電力巡檢、變形監(jiān)測、礦山測量等領(lǐng)域，被譽(yù)為測繪領(lǐng)域內(nèi)繼GPS之后又一次技術(shù)革命[1-3]。

在利用地面三維激光掃描儀對測量對象進(jìn)行掃描的過程中，由于激光沿直線傳播且測量環(huán)境中遮擋物的存在，實(shí)際測量時需要對測量對象進(jìn)行多測站多視角掃描，獲取測量對象的分站點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后將各個測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到測量對象的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4-6]，點(diǎn)云拼接示意如圖1所示。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接示意圖

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的實(shí)質(zhì)是把不同視點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同1個坐標(biāo)系下，使之成為1個整體[7-9]。當(dāng)前，外業(yè)測量中點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法主要有標(biāo)靶拼接、特征點(diǎn)拼接、點(diǎn)云視圖拼接、已知后視點(diǎn)及后方交會等五種[10-11]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到不同的測量環(huán)境，選取一個合適的拼接方法可以提高外業(yè)測量及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的精度與效率[12-15]。目前，對于上述點(diǎn)云拼接方法的拼接精度與拼接效率的研究較少，點(diǎn)云拼接方法的選取無據(jù)可依。鑒于此，首先介紹對標(biāo)靶拼接、特征點(diǎn)拼接、點(diǎn)云視圖拼接、已知后視點(diǎn)及后方交會等5種點(diǎn)云拼接方法，并通過實(shí)驗(yàn)對這5種拼接方法的拼接精度對比。同時，綜合考慮5種拼接方法的精度與效率，為不同實(shí)際工程情況下選取合適的拼接方法提供參考。

1 地面激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描與拼接在時間上的先后關(guān)系，可以分為實(shí)時拼接與事后拼接。

1.1 實(shí)時拼接

實(shí)時拼接是指點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與掃描同時進(jìn)行，掃描時獲取到的點(diǎn)云坐標(biāo)即為統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。常用的拼接方法有已知后視點(diǎn)的拼接和后方交會的拼接兩種，示意圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 已知后視點(diǎn)拼接

圖3 后方交會拼接

1)已知后視點(diǎn)拼接。已知后視點(diǎn)拼接是指在掃描儀設(shè)站時分別對掃描儀及其后視點(diǎn)在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，掃描前對后視點(diǎn)進(jìn)行掃描獲取。憑借掃描儀和后視點(diǎn)的坐標(biāo)以及兩者之間的定向，確定測量對象在統(tǒng)一坐標(biāo)系中的位置，即可獲得測量對象表面點(diǎn)云在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

2)后方交會拼接。后方交會拼接是指在掃描儀設(shè)站時對掃描儀的兩個后視點(diǎn)在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，掃描前對兩個后視點(diǎn)進(jìn)行掃描獲取。觀測兩個已知后視點(diǎn)的水平夾角，可以計(jì)算得到掃描儀坐標(biāo)并確定測量對象在統(tǒng)一坐標(biāo)系中的位置，即可獲得測量對象表面點(diǎn)云在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

1.2 事后拼接

事后拼接是指在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取完成之后，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行點(diǎn)云拼接。當(dāng)采用事后拼接方法時，實(shí)際測量中需要進(jìn)行多站掃描，掃描時激光掃描系統(tǒng)一般使用的是掃描儀自定義的坐標(biāo)系。這種情況下，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的實(shí)質(zhì)就是各站坐標(biāo)系之間的平移和旋轉(zhuǎn)，使不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。

(1)

(2)

1)標(biāo)靶拼接。標(biāo)靶拼接是利用掃描儀可以精確識別的特制標(biāo)靶作為公共點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，標(biāo)靶根據(jù)其形狀又可分為球形標(biāo)靶和平面標(biāo)靶，標(biāo)靶中心坐標(biāo)可被掃描儀自動獲取，獲取精度達(dá)2 mm@50 m。實(shí)際測量時，將這些標(biāo)靶放置在掃描范圍的公共區(qū)域適當(dāng)位置，保證相鄰測站都能掃描到3個以上的公共標(biāo)靶，便可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。

2)特征點(diǎn)拼接。特征點(diǎn)拼接的原理與標(biāo)靶拼接相類似，只是在公共點(diǎn)選取上，需要人工選取兩個測站公共區(qū)域內(nèi)的特征點(diǎn)作為公共點(diǎn)來解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。實(shí)際測量中，一般會選擇一些易于識別且?guī)缀翁卣髅黠@的點(diǎn)，如角點(diǎn)、邊界點(diǎn)、標(biāo)志物等。

3)點(diǎn)云視圖拼接。采用點(diǎn)云視圖拼接方法時，既不需要布置標(biāo)靶，也不需要設(shè)定測站坐標(biāo)。通過人工操作將兩測站的公共區(qū)域重疊在一起，再根據(jù)迭代最鄰近點(diǎn)算法(Iterative Closest Point，ICP)計(jì)算出相鄰測站坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)完成點(diǎn)云拼接。點(diǎn)云視圖拼接的操作一般在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用的是Leica ScanStation P50三維激光掃描儀，掃描距離可達(dá)1 000 m，能夠在360°×290°的掃描視場內(nèi)以1 000 000點(diǎn)/s的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測距精度可達(dá)1.2 mm+10 ppm。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對標(biāo)靶拼接、特征點(diǎn)拼接、點(diǎn)云視圖拼接、已知后視點(diǎn)及后方交會等五種拼接方法的拼接精度進(jìn)行對比，本文設(shè)計(jì)一個專門實(shí)驗(yàn)。采用Leica ScanStation P50分兩站對實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行掃描，每站掃描區(qū)域中布設(shè)4個自制黑白平面標(biāo)靶作為標(biāo)志點(diǎn)，在兩站公共區(qū)域布設(shè)3個Leica平面標(biāo)靶，實(shí)驗(yàn)場地示意圖如圖4所示。同時，采用Leica TS60全站儀精確測量8個自制黑白平面標(biāo)靶的中心坐標(biāo)。

圖4 實(shí)驗(yàn)場地示意圖

分別利用上述5種拼接方法對采集到的兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，拼接后得到的5組點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。為了衡量5種點(diǎn)云拼接方法的拼接精度，在拼接得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中手動拾取8個自制黑白標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，分別計(jì)算4對標(biāo)靶(1&7、2&8、3&5、4&6)兩兩之間的距離，計(jì)算其與利用LeicaTS60全站儀的測量結(jié)果的差值作為衡量點(diǎn)云拼接精度的指標(biāo)。

圖5 5種拼接方法點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5種點(diǎn)云拼接方法及全站儀獲取到的8個自制黑白標(biāo)靶的中心坐標(biāo)見表1，各點(diǎn)坐標(biāo)均為各自坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

表1 5種拼接方法與全站儀獲取的標(biāo)靶坐標(biāo) m

續(xù)表1 m

根據(jù)表1中的自制黑白標(biāo)靶的中心坐標(biāo)計(jì)算相應(yīng)標(biāo)靶兩兩之間的距離，5種拼接方法計(jì)算距離與根據(jù)全站儀測量結(jié)果計(jì)算的距離進(jìn)行比較，將差值作為衡量拼接精度的指標(biāo)，其結(jié)果見表2。

表2 5種拼接方法與全站儀計(jì)算結(jié)果差值 mm

如圖6所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在50 m的測量距離內(nèi)，標(biāo)靶拼接的精度最高，特征點(diǎn)拼接方法的精度最差，五種拼接方法的拼接精度均達(dá)到了毫米級。然而，特征點(diǎn)拼接的最大拼接偏差達(dá)到了厘米級，這是因?yàn)榧す鈷呙鑳x在掃描時會按一定的間隔來獲取點(diǎn)云，導(dǎo)致肉眼選取的特征點(diǎn)實(shí)際上可能并不是一對同名點(diǎn)，存在一定的偏差，所以拼接精度較低。點(diǎn)云視圖拼接、已知后視點(diǎn)和后方交會三種拼接方法的拼接精度較為接近，但較標(biāo)靶拼接在拼接精度上還存在一定差距。

圖6 精度對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要同時考慮拼接方法的精度、效率與適用條件來決定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對五種拼接方法的特點(diǎn)總結(jié)如表3所示。

表3 5種拼接方法對比

對于一些測量范圍較小、精度要求較高的應(yīng)用場景，如古建筑的掃描、電塔變形監(jiān)測等，標(biāo)靶拼接更為合適；對于一些測量范圍很大、精度要求不高的應(yīng)用場景，如地形掃描、輸電線路掃描等，已知后視點(diǎn)或后方交會的拼接方法更為合適；當(dāng)測量范圍內(nèi)無已知控制點(diǎn)或標(biāo)靶的布設(shè)與拾取上存在一定困難時，點(diǎn)云視圖拼接更為合適，既不需要布置標(biāo)靶，也不需要設(shè)定測站坐標(biāo)；而特征點(diǎn)拼接無論在精度上還是在效率上，都不具備優(yōu)勢，實(shí)際工程中一般不考慮此種方法。

4 結(jié)束語

本文介紹了地面激光掃描的標(biāo)靶拼接、特征點(diǎn)拼接、點(diǎn)云視圖拼接、已知后視點(diǎn)及后方交會等5種點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接技術(shù)的工作原理，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對各種拼接方法的拼接精度進(jìn)行了對比實(shí)測。結(jié)果表明，在50 m測量距離內(nèi)，5種點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法的精度分別為1.33 mm、8.88 mm、2.71 mm、4.29 mm和6.07 mm，其中標(biāo)靶拼接的精度最高。在實(shí)際工程具體情況中，作業(yè)人員應(yīng)綜合考慮掃描作業(yè)區(qū)域環(huán)境條件和工程的精度與作業(yè)效率要求，選取最合適的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法。