基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制城市地下民防工程平面圖

高澤遠(yuǎn)，謝宏全，王鵬，2，錢鑫，毛斌，孟琪，汪子泃

(1.江蘇海洋大學(xué)，海洋技術(shù)與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2.南通藍(lán)圖測(cè)繪有限公司，江蘇 南通 226300)

1 引 言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用越來越成為熱點(diǎn)話題，地下空間開發(fā)大有可為。與地上空間不同的是地下空間光照不足、通視條件差、空間控制網(wǎng)不易于布設(shè)等，使得城市地下空間普查是一項(xiàng)比較復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)。常規(guī)的勘測(cè)方法是使用全站儀進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，但是效率較低，并且采集信息有限[1]。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的新型獲取空間數(shù)據(jù)及信息的地面三維激光掃描技術(shù)具有高速、實(shí)時(shí)、精度高、工作環(huán)境要求相對(duì)低及全天候工作等特點(diǎn)。同時(shí)三維激光掃描儀能夠大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息[2]。目前三維激光掃描技術(shù)正廣泛應(yīng)用于地下空間測(cè)量中。近年來一些學(xué)者對(duì)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地下空間平面圖進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，同時(shí)也取得了一些研究成果。主要有：馬雪萍等[3]使用FARO Focus3D X330獲取地下人防工程的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用CAD 2014生成平面圖；儲(chǔ)立新等[4]利用天寶TX8三維激光掃描儀獲取武進(jìn)區(qū)某地下空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在CAD中繪制了地下空間平面圖；許洪林等[5]通過江陰市地下空間調(diào)查項(xiàng)目設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種基于三維激光掃描技術(shù)的地下空間標(biāo)高點(diǎn)采集方法，能夠有效提高地下空間內(nèi)業(yè)制圖的作業(yè)效率；陳岳濤等[6]利用背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)獲取地下停車場(chǎng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云模型制作橫切切片圖，并使用CAD繪制了地形圖。

李效超等[7]利用手持式移動(dòng)三維激光掃描儀針對(duì)地下空間普查進(jìn)行了應(yīng)用研究，點(diǎn)云精度能夠滿足城市地下空間普查圖件的繪制要求。

2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

毓秀花園小區(qū)位于江蘇海洋大學(xué)蒼梧校區(qū)二號(hào)門北行 1 km處，主要為江蘇海洋大學(xué)教師居住，地下民防工程其部分場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 地下民防工程部分場(chǎng)景

圖2 導(dǎo)線布設(shè)圖

為了保證獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度滿足要求，經(jīng)過實(shí)地勘察，采用全站儀導(dǎo)線法，并確定了本次的導(dǎo)線布設(shè)路線，繪制了草圖(如圖2所示)，設(shè)置13個(gè)測(cè)站點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)點(diǎn)之間相互通視。其中，靶標(biāo)布設(shè)主要考慮復(fù)雜點(diǎn)位處的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在布置靶標(biāo)時(shí)應(yīng)保證能被良好識(shí)別，不被物體遮擋且標(biāo)靶不得布設(shè)于一條直線上，同時(shí)保持標(biāo)靶的穩(wěn)定性和一定的高度差。本次測(cè)量步驟包括：

(1)以a點(diǎn)為后視點(diǎn)，2點(diǎn)為前視點(diǎn)，在1處架設(shè)儀器，對(duì)中整平，然后量取儀器高。在a點(diǎn)架設(shè)標(biāo)靶球，作為后視點(diǎn)。

(2)正式掃描前進(jìn)行預(yù)掃描，低分辨率進(jìn)行，測(cè)試儀器。

(3)預(yù)掃描完成后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行觀察看是否符合要求。若符合則開始正式掃描；不符合，則檢查儀器，重新掃描測(cè)試。為了掃描過程的統(tǒng)一及滿足后期繪制 1∶100平面圖的要求選擇全景掃描和中等分辨率進(jìn)行掃描。

(4)第一個(gè)設(shè)站點(diǎn)掃描完成后進(jìn)行遷站，將三維激光掃描儀遷站至2號(hào)點(diǎn)，1，3號(hào)點(diǎn)放置標(biāo)靶球，并對(duì)儀器進(jìn)行對(duì)中整平及參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行掃描。

(5)掃描完成后，遷站，重復(fù)上一步驟完成掃描。共架設(shè)13站，外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作耗時(shí)將近 4 h，獲取到包括測(cè)區(qū)全部區(qū)域在內(nèi)的約1億個(gè)三維點(diǎn)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟一般包括點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云統(tǒng)一化。點(diǎn)云拼接是利用標(biāo)靶將多站掃描的點(diǎn)云拼接成一個(gè)整體，使之具有相同的空間參考或控制網(wǎng)坐標(biāo)系。對(duì)于無標(biāo)靶或標(biāo)靶不齊全的點(diǎn)云，可采用同名點(diǎn)方式進(jìn)行拼接[7]。此次測(cè)量采用的是全站儀導(dǎo)線法，此方法可適應(yīng)于較大范圍的掃描工程，導(dǎo)線形式布設(shè)比較靈活，操作方法比較簡(jiǎn)單，拼接精度高。按照此方法將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中，自動(dòng)拼接數(shù)據(jù)。

在使用三維激光掃描儀采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程中，由于地面三維激光掃描儀的精度為毫米級(jí)，超高的分辨率使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量達(dá)到GB甚至TB級(jí)；同時(shí)使用三維激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)進(jìn)行360°掃描，獲得多次重疊數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)區(qū)點(diǎn)云密度分布不均勻。過多的數(shù)據(jù)以及過高的密度會(huì)導(dǎo)致我們對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算速度以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的美觀，因此為了提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，需要在Cyclone中打開拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇去噪操作，一一去除地下空間中停留的車輛、人員、雜物，去噪完成后的點(diǎn)云圖像如圖3所示。

圖3 去噪后的部分點(diǎn)云圖像

點(diǎn)云合并也叫點(diǎn)云統(tǒng)一化，也是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化的一種處理方式，目的是將整個(gè)視圖中的多站點(diǎn)云統(tǒng)一處理為單一的合并點(diǎn)云，統(tǒng)一化處理完成后，點(diǎn)云的瀏覽、選擇等操作都會(huì)在原有的基礎(chǔ)上變得更加流暢[8]。點(diǎn)云合并可以選擇Cyclone中的Unify Clouds，設(shè)置平均點(diǎn)云空間為 2 cm。

3 平面圖繪制

平面圖的繪制是測(cè)繪工作中最重要的一步，一般來說平面圖繪制的結(jié)果決定著測(cè)繪工作的成功與失敗。本文采用上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司的CoSurvey2016軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)成圖處理。

具體的操作步驟如下：

(1)將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以pts文件類型輸出，利用Autodesk ReCap 2016軟件將格式轉(zhuǎn)化為rcp文件格式。

(2)將轉(zhuǎn)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CoSurvey2016軟件中，使用高程渲染命令以提高點(diǎn)云圖像清晰度從而能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云圖像的邊緣來減小誤差。

(3)點(diǎn)擊工具欄的多點(diǎn)一般房屋，選擇一個(gè)邊緣的點(diǎn)作為初始點(diǎn)沿著邊緣作出外圍輪廓，曲線部分選擇圓弧并做平滑操作。

(4)因?yàn)榇舜螔呙璧牡叵驴臻g承重柱為四方形石柱，故點(diǎn)擊依比例支柱.墩方形來繪制地下空間內(nèi)的承重柱。

(5)最后將各種地圖元素如框架、比例尺、指北針添加到我們繪制的平面圖中。

(6)平面圖繪制完成后，選擇CoSurvey2016的打印選項(xiàng)來導(dǎo)出PDF格式的平面圖，選擇無點(diǎn)云圖像的平面圖，效果圖如圖4所示。

圖4 繪制完成的平面圖

4 精度評(píng)定

為了驗(yàn)證繪制完成的平面圖的精度。利用型號(hào)為GLM7000的BOSCH激光測(cè)距儀，選定6條邊，各位置如圖5所示，分別為墻面長(zhǎng)度、柱間距離、柱邊長(zhǎng)、出口距離、柱與墻面距離等，定義編號(hào)A、B、C、D、E、F，同時(shí)為了提高測(cè)量精度，每個(gè)測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量三次取平均值以此來減小誤差。

圖5 平面圖6邊位置距離標(biāo)注

地下民防工程實(shí)際量測(cè)與平面圖的部分距離對(duì)比 表1

由表1數(shù)據(jù)分析可得，最大誤差為 0.04 m，其余三個(gè)誤差為 0.01 m，兩個(gè)誤差為零，所以可以認(rèn)為此次基于激光點(diǎn)云繪制的平面圖的數(shù)據(jù)能夠滿足精度要求。

5 結(jié) 論

基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取地下空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地下空間平面圖是可行的，當(dāng)然也存在一些問題，如：點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過大；各個(gè)軟件可處理的文件類型不同；目標(biāo)物對(duì)激光的反射率不同。但是對(duì)照傳統(tǒng)的測(cè)繪方法，可以減少測(cè)繪人員的外業(yè)工作時(shí)間和強(qiáng)度；略去了地下空間光亮不足的缺點(diǎn)；獲得高分辨率的點(diǎn)云圖像。同時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和繪制成果可以電子存檔，為后續(xù)的城市規(guī)劃與建設(shè)提供寶貴數(shù)據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。