手持式三維激光掃描儀測量防空洞精度控制方法

劉平利，喬天榮，張鴻祥，鄭玉生

（1.河南省地質調查院 河南省城市地質工程技術研究中心，河南 鄭州 450001）

目前，城市中的老舊防空洞已出現(xiàn)塌方、水淹等現(xiàn)象，對城市危害非常大，因此準確掌握老舊防空洞在城市地下分布的準確三維坐標位置，能為防空洞修復和危害治理提供可靠的數字基礎。相對于利用全站儀等傳統(tǒng)測量方式來說，基于手持式三維激光掃描儀獲取的海量點云數據，能更加全面地呈現(xiàn)防空洞內部的三維結構；在進行內業(yè)處理分析時，能更加快速地批量獲取防空洞的斷面數據和準確體積。然而，獲得有效成果的前提是獲取點云數據的準確度，以及把誤差控制在有效精度范圍內。本文探討了手持式三維激光掃描儀的設備應用場景、誤差因素和精度控制手段，以期在精度合格的基礎上，找到更加快速便捷的操作掃描方案。

1 手持式三維激光掃描儀的工作原理

手持式三維激光掃描儀的工作原理為：由激光測距儀的激光器產生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被激光測距儀的接收器所接收；接收器準確記錄光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間，由于光脈沖以光速傳播，因此接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到前一個被反射回的脈沖，鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量；結合激光器的高度和激光掃描角度，即可準確計算出空間每一點的三維坐標信息。慣性測量單元（IMU）主要用來記錄掃描儀的位置[1]，是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）和加速度的裝置。一般來說，一個IMU包含3個單軸的加速度計和3個單軸的陀螺，加速度計負責檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，陀螺負責檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，進而測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。

GeoSLAM手持式三維激光掃描儀主要由激光掃描儀、IMU和SLAM算法3個主要要素組成。其核心是GeoSLAM業(yè)界的SLAM算法，可實現(xiàn)封閉環(huán)境的快速移動測量，無需GPS；可在極短時間內安全、高效、精確地獲取空區(qū)數據，從而獲取防空洞的三維形態(tài)，并可任意量取所需的距離和計算截面積、體積等。利用手持式三維激光掃描儀測量防空洞的步驟為：

1）掃描。利用手持式三維激光掃描儀快速對線性防空洞進行全方位掃描，三維激光掃描可快速準確地獲得防空洞內部的三維空間掃描數據。

2）全自動系統(tǒng)處理。通過數據傳輸、數據自動拼接、數據分析、加入控制點糾正數據等步驟進一步提高數據準確度。

3）數據獲取。獲得防空洞的三維點云數據，再進行距離量算、剖面截取、體積量算、三維建模等操作。

手持式三維激光掃描儀的測距精度為3～5cm，掃描線性累計誤差標稱為1‰，適用于巷道、防空洞等精度要求較低的場景，一般達到10cm即可。

2 誤差因素

除測量控制點、外界環(huán)境和儀器自身的影響[2]帶來的誤差之外，可根據誤差產生的時刻將造成防空洞掃描誤差的人為可控誤差劃分為測段誤差和拼接轉換誤差[3]。

2.1 測段誤差

測段誤差是指每個測段數據內部的誤差，對于手持式三維激光掃描設備來說，是將每個瞬間儀器捕獲的三維畫面進行增量式疊加套合，再利用慣導技術進行內部糾正點云數據拼接[4]，形成一個測段的三維多視點云數據[5]。忽略儀器本身的性能，提高單個測段數據精度的主要方法為降低單個測段的掃描時間和減少掃描距離，讓其達到一個合理區(qū)間的或然值。以GeoSLAM公司的ZEB-REVO為例，線性累計誤差的標定值為1‰，當使用該設備持續(xù)掃描距離為50m時，單個測段數據內部的線性累計誤差最大可達5cm。

2.2 拼接轉換誤差

拼接轉換誤差是指在測段拼接和坐標轉換時產生的誤差。對于防空洞線性掃描的場景，拼接誤差有一個很大的特點，即線性累積，第n個測段拼接后的坐標完全由下一個測段（n+1）決定。引入控制點，在完成坐標系統(tǒng)轉化的同時，對拼接造成的累積誤差進行平差，因此控制點的直接距離遠近、精度高低將直接影響測段拼接精度。

2.3 手持式三維激光掃描儀粗差

由于手持式三維激光掃描儀利用慣導技術，在測段掃描時需要特征點進行數據拼接，因此不是所有的目標都可以采用該設備進行掃描，如洞內壁光滑、沒有特征點、地面有水的區(qū)域，易造成掃描成果錯誤。防止錯誤出現(xiàn)的方法為多設置控制點和放置特征物，讓掃描數據能準確識別并進行有效拼接，保證每個時刻數據正確的拼接，才能避免粗差[6]的出現(xiàn)。

3 實際應用

防空洞測量首先要確定測量防空洞碎部的精度，要求精度的高低直接決定了控制點之間的距離和測段掃描之間的距離。本次測量防空洞要求點云數據距控制點的精度為10cm，因此以控制點前后各100m為一個測段，將掃描測段距離設置為100m，掃描的防空洞為2.8km。利用全站儀在防空洞內部做導線，100m左右為一個控制點。利用三維掃描儀單次掃描獲取到100 m的防空洞點云數據視為一個測段。為了適應手持設備小巧靈活、邊走邊掃描的特點，可為其定制更加輕便的目標球支架，把目標球架設在全站儀做的控制點上，對儀器進行對中、整平，量取目標球的高度。

1）公共目標球串接。在兩次SLAM掃描的公共部分放置3個以上的公共目標球，作為兩次測段掃描的拼接重疊點依據。 要求目標球不能太集中、盡量分散，不在一條直線上、不成等腰三角形，避免兩次拼接出現(xiàn)粗差，利用公共目標球的控制點坐標，對兩個測段的點云數據進行拼接、糾正和檢核。糾正高程時，一定要注意目標球的高度量取方式，否則將直接影響拼接高程的精度。每隔100m做一個控制點，即兩個測段組合的首尾各做一個控制點，在這100m內采用Trimble RealWorks的網平差工具對誤差進行平差，可達到防空洞測量時要求的10cm精度。

2）測段絕對定位。在每個掃描區(qū)段內準備3個控制點，每個站點都需完成絕對定位；或退而求其次，在兩個掃描區(qū)段內設置3個控制點。為了控制每個站點數據內部的精度，每段只掃描100m，因此需要每100m設置一個控制點。對于這種作業(yè)方式，利用Trimble RealWorks的地理坐標轉換工具，每兩個測段作一次坐標平差，可將測量精度控制在10cm誤差以內；再對所有的測段進行拼接，形成最終成果。

3）精度檢核。手持式三維激光掃描儀具有簡便、快捷、對環(huán)境適應能力強、效率高等特點，但當被描物體表面光滑、無明顯特征，尤其是老舊防空洞地面有水時，將自動錯誤拼接。處理結果與防空洞的形狀基本一致，用肉眼有時看不出拼接錯誤，因為當數據自動拼接找不到重合點時，有可能利用慣性直接認定一個目標點進行點云數據處理，因此要想讓其準確無誤地把目標掃描出來，必須在防空洞內部布設控制點，且盡量布設在防空洞兩端。對于距離短的防空洞，利用全站儀從地面引入控制點進行檢核即可；對于距離較長的防空洞，有條件的可在防空洞的兩端通過打鉆進行驗證，可從距離和高差上檢核掃描數據成果有沒有明顯的錯誤。

4 結 語

針對線性防空洞的三維激光掃描項目，本文介紹了手持式三維激光掃描儀的使用場景。SLAM手持式三維激光掃描設備精度可達3cm，適合于人防防空洞等精度要求較低的場景（一般要求10cm）。在控制住單站誤差的前提下，針對不同的作業(yè)模式，本文探討了減小測段拼接與坐標轉換階段誤差的方法。本文著重分析了點云數據拼接時的誤差來源，提出了加入控制點約束提高掃描防空洞精度的方法。