三維激光掃描在地下空間測量中的應(yīng)用研究

賀磊，孫灝

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是近年來在測繪領(lǐng)域興起的一項高新測量技術(shù)，其突破了傳統(tǒng)的單點測量模式，快速采集到面狀點云數(shù)據(jù)，可以精確地獲取被測對象的三維坐標信息、反射信息和色彩信息等，再通過密集的三維點云數(shù)據(jù)就可快速構(gòu)建出場景的三維模型，在工程測量、三維建模等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。隨著社會經(jīng)濟水平的持續(xù)發(fā)展和城市化水平的提高，城市地下空間的開發(fā)利用也得到了極大的發(fā)展，尤其是在城市軌道交通領(lǐng)域，然而地下空間由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通視條件差、細部特征多等局限性，這些都加大了數(shù)據(jù)采集的困難程度[3，4]。傳統(tǒng)的測量方式是利用全站儀布設(shè)導(dǎo)線采集各特征點、線，再利用數(shù)碼相機對所有細部特征拍照用于紋理貼圖，測量效率低且建模工作量大[5～7]。為此一些學者基于三維激光掃描的技術(shù)優(yōu)勢將其應(yīng)用于地下空間三維建模中，儲立新[8]等分別將傳統(tǒng)測量方法和三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地下空間測量中，表明了三維激光掃描在地下空間測量中效率更高、精度可靠，苗亞哲[9]等基于三維激光掃描技術(shù)完成了地下人防工程的模型重建，研究表明了基于三維激光點云的BIM模型具有建模精度高、現(xiàn)場還原度好的優(yōu)勢，王凱時[10]等將三維激光掃描應(yīng)用于地下空間的三維建模中，研究表明了三維激光掃描在地下空間測量中具有無可比擬的優(yōu)勢，其數(shù)據(jù)成果為地下空間的信息化管理提供了可靠依據(jù)。

本文以南京地鐵某地下車站為研究對象，利用三維激光掃描對地鐵車站內(nèi)部進行完整的掃描，重建出地下空間的三維點云模型，分別介紹了數(shù)據(jù)的采集及點云的處理方法，并將傳統(tǒng)的點云標靶拼接和ICP算法進行了優(yōu)勢互補，研究了一種提高點云拼接精度的方法，并對三維點云模型進行了精度評定，研究表明了該方法在地下空間三維掃描測量中的適用性。

2 數(shù)據(jù)采集

地下空間的傳統(tǒng)測量方法是首先在地面進行控制測量，再進行地面和地下的聯(lián)系測量，將坐標引入地下空間，然后在地下進行導(dǎo)線測量，在導(dǎo)線點的基礎(chǔ)上，利用全站儀采集碎步數(shù)據(jù)，獲取地下空間特征點的三維坐標信息，再進行屬性調(diào)查和紋理圖像采集，而地下空間往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細部特征多等特點，采用傳統(tǒng)的測量方式效率低、困難大。

三維激光掃描能夠大面積、高效率地獲取到被測對象的三維坐標數(shù)據(jù)，可以快速采集到大量的三維空間信息，其采集效率遠高于全站儀?；谌S激光掃描進行地下空間的測量，首先要進行控制測量，在地面出入口處布設(shè)控制點，基于地面控制點進行地下導(dǎo)線網(wǎng)的布設(shè)和測量，然后再進行掃描作業(yè)，掃描時要保證相鄰兩站點云之間有一定的重疊度，并且在各導(dǎo)線點上架設(shè)標靶進行掃描，同時要進行紋理影像的采集，用于后期三維點云模型的紋理映射。三維激光掃描在地下空間測量中的數(shù)據(jù)采集流程圖如圖1所示：

圖1 三維激光掃描技術(shù)流程圖

3 點云處理

在實際中要構(gòu)建一個實體場景的完整點云模型，通常要從多個不同的視角對其掃描，且掃描時各站之間還需保證一定的重疊度。而三維激光掃描儀采集到的點云數(shù)據(jù)是以掃描坐標系為基準的，每站點云都是在其不同的獨立掃描坐標系下，因此要獲取完整場景的三維點云模型，需要對不同站點云數(shù)據(jù)進行配準。點云配準是通過一定的約束條件將多視點掃描點云數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一坐標系中，配準之后將得到一個完整場景的點云模型。

點云數(shù)據(jù)的配準實際就是兩個三維空間坐標系間的轉(zhuǎn)換，其中一個為基準坐標系，另一個為目標坐標系，兩個坐標系之間通過平移、旋轉(zhuǎn)等操作轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標系下，假設(shè)點P在兩個坐標系中的坐標分別為pi=(xi，yi，zi)和pj=(xj，yj，zj)，其坐標轉(zhuǎn)換模型可以表示為：

(1)

式(1)中，(φ，ω，k)為3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，(△x，△y，△z)為3個平移參數(shù)，λ為尺度變換參數(shù)，由式(1)可知，求解出7個參數(shù)至少需要3個同名點坐標。

根據(jù)采用的配準基元不同，實際中點云配準方法主要有兩種：基于特征的配準和基于ICP算法的配準。基于特征的點云配準方法是在外業(yè)掃描過程中設(shè)置公共的標靶點或控制點，然后在點云配準時利用公共點求解出坐標系間轉(zhuǎn)換模型實現(xiàn)點云的配準?；谔卣鞯狞c云配準具有精度高、配準速度快等優(yōu)點，若在大型場景中，隨著掃描站數(shù)的增加，需布設(shè)的標靶點數(shù)量也在同步增加，這樣就大大降低了數(shù)據(jù)采集效率?；贗CP算法的點云配準主要過程可以表示為：假設(shè)有兩個待拼接的點云數(shù)據(jù)集，首先通過不斷地平移和旋轉(zhuǎn)操作，確定兩組點云間的初始相對位置，然后算法搜索重疊區(qū)域的同名點對，解算出點云間有效的坐標轉(zhuǎn)換模型，利用此轉(zhuǎn)換模型對點云數(shù)據(jù)集間相互位置關(guān)系進行優(yōu)化，再尋找更優(yōu)同名點對，算法以此不斷地迭代運算，逐步對坐標轉(zhuǎn)換模型進行改善優(yōu)化，最終得到合理的轉(zhuǎn)換參數(shù)模型。ICP算法具有自動化程度高、精度可靠等優(yōu)點，但是在實際應(yīng)用時存在拼接速度慢、穩(wěn)定性較差等缺點。

城市地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常極不規(guī)整，各類管道、設(shè)施等錯綜不一，細部特征多，且可供測量的時間非常有限，因此地下空間在測量時要求測量方式快捷高效且精度可靠。利用三維激光掃描技術(shù)進行地下空間測量，掃描站通常非常多，根據(jù)地下空間測量的作業(yè)要求和掃描儀的作業(yè)效率，若是采用標靶進行傳遞和配準，相鄰站點云配準需要三個以上的同名標靶點，在數(shù)據(jù)采集時需布設(shè)大量的標靶，標靶的布設(shè)和掃描需耗費大量的時間，而標靶中心點在擬合時對標靶上點云密度的要求較高，為保證標靶中心的擬合精度，數(shù)據(jù)采集時需減小相鄰掃描站的間距，這會造成掃描站數(shù)的冗余，因此地下空間在測量時全部采用標靶進行傳遞和配準，數(shù)據(jù)采集的效率不高。而利用ICP算法進行點云配準時，點云之間同名點的搜索很大程度上依賴于算法的閾值設(shè)置，根據(jù)誤差傳播規(guī)律，大量掃描站點云的連續(xù)配準必然會引起誤差的不斷傳遞，造成點云模型中誤差的不斷累積，可能會造成配準后點云模型的扭曲變形，因此點云全部利用ICP算法進行配準雖然在一定程度上提高了數(shù)據(jù)的采集效率，但是點云的配準誤差難以控制。

針對這種情況，本文將基于特征的點云配準和ICP算法配準進行優(yōu)勢互補，研究一種提高數(shù)據(jù)采集效率和提高配準精度的方法，具體配準思路為：首先利用ICP算法對相鄰站的點云進行初始配準，當配準誤差大于 3 cm時，對點云進行分組，不同組點云之間再利用同名特征點和標靶點進行精細配準，最后利用控制點坐標完成點云模型的坐標糾正，點云配準技術(shù)流程圖如圖2所示。

圖2 點云配準技術(shù)流程圖

基于以上配準思路，就可完成點云模型的最終配準，這不僅可以避免在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時大量布設(shè)標靶點的情況，提高了數(shù)據(jù)采集效率，而且在利用ICP算法進行點云配準時可以控制配準誤差不斷累積的情況，提高了三維點云模型的精度。

4 案例分析

南京地鐵某車站為地下二層結(jié)構(gòu)，地下一層為站廳，地下二層為站臺，車站長約 198.70 m、寬約 21.20 m，總建筑面積約 11 602 m2，地鐵站內(nèi)部細節(jié)特征極多，采用傳統(tǒng)測量方法進行數(shù)據(jù)采集難度極大。本案例采用三維激光掃描技術(shù)對其進行測量，首先在地面出入口處布設(shè)控制點，利用地面控制點向地下布設(shè)導(dǎo)線，控制測量完成后再進行點云采集，點云采集的設(shè)備型號為徠卡BLK360掃描儀，儀器測程為 60 m，作業(yè)時間選擇的是夜間地鐵停運時，此時地鐵站內(nèi)部人流量小，對掃描點云的影響較小。掃描時相鄰站之間最大距離不超過 20 m，并在各導(dǎo)線點上架設(shè)標靶進行掃描，點云掃描共81站，在點云拼接時利用了上文介紹的方法進行處理，首先利用ICP算法對點云進行初始配準，當配準誤差大于 3 cm時，即對點云進行分組，點云組之間再利用標靶點或同名特征點進行拼接，最后再利用控制點坐標對點云模型進行坐標糾正，最終構(gòu)建出地下空間內(nèi)部完整的三維點云模型。本案例在點云配準時利用了13個已知點坐標進行處理，將點云中標靶坐標與原始三維坐標對比進行精度分析，點云配準精度統(tǒng)計如表1所示：

配準點坐標精度對比表 表1

對表1中配準點誤差進行數(shù)學平均值統(tǒng)計，計算出點云配準誤差為 2.7 cm，結(jié)合點云掃描和各站配準過程進行分析，部分配準點差值較大是由于掃描過程中行人走動對標靶掃描造成干擾，導(dǎo)致最終配準點誤差過大，而其他站點云配準精度均在 2 cm以內(nèi)，因此可以認為本案例中點云配準精度可靠性較高。

為了評價最終三維點云模型的整體精度，還需對其外符合精度進行評價分析，而三維點云模型中點是最基礎(chǔ)的單元，點的精度直接反映了點云模型的整精度，尤其是特征點精度，因此可以利用點位精度進行分析來評價三維點云模型的整體精度。本案例在控制測量的同時，對地鐵站內(nèi)部分特征點進行了采集，在精度評價時，將全站儀實測坐標與點云模型中對應(yīng)點的坐標進行對比，以此評價三維點云模型的整體精度。本文隨機選取了20個點位坐標進行分析，選取的點基本覆蓋整個測區(qū)，其精度分析如表2所示：

特征點精度統(tǒng)計表 表2

續(xù)表2

對表2數(shù)據(jù)進行分析可知，全站儀實測坐標與點云同名特征點間最大誤差不超過 10 cm，對其進行中誤差統(tǒng)計，計算出特征點中誤差為 4.2 cm，基于本文方法制作的點云模型精度在 5 cm以內(nèi)。

由上可知，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地下空間測量項目中，其點云配準精度和整體模型精度可靠性較高，同時三維點云模型解決了地下空間細部特征多、測量困難等問題，基于三維點云模型也可直接進行模型重建，三維激光掃描技術(shù)為地下空間測量提供了一種新的解決方案。

5 結(jié) 語

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)得到了極大的發(fā)展，然而地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、三維信息獲取困難等問題，都對傳統(tǒng)的測量技術(shù)提出了新的考驗。三維激光掃描技術(shù)作為近年來興起的新型測繪技術(shù)，其突破了傳統(tǒng)單點測量的局限性，可一次性采集到海量點云數(shù)據(jù)，并可快速構(gòu)建出場景的三維點云模型。本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到地下空間的三維建模中，介紹了數(shù)據(jù)采集的技術(shù)流程，并研究了一種多視點云配準的新思路，提高了點云的采集效率和點云配準精度?；诖朔桨笇崿F(xiàn)了城市軌道交通地下空間的模型構(gòu)建，并對點云模型進行了精度評定，研究表明了三維激光掃描技術(shù)在地下空間測量中的適用性，為地下空間的高效管理和規(guī)劃提供了一種新的解決方案。然而，基于三維激光制作的點云模型只是一個初步模型，對點云數(shù)據(jù)進行高效分類、自動化處理等將是下一步研究的重點。