多掃描儀結(jié)合在塑石表面積測量中的應(yīng)用與分析

石明旺，羅旭，令狐進

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)的單點測量的方法，可獲取高精度、高分辨率點云數(shù)據(jù)，具有效率高，操作方便，節(jié)省人力，點位和精度分布均勻，人為誤差小等特點，適用于測量不規(guī)則物體[1]。針對表面積測量計算問題，傳統(tǒng)方法為利用全站儀或RTK進行野外數(shù)據(jù)采集，通過DTM法、方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法等進行內(nèi)業(yè)計算，此法因采集點密度不夠不適用于復(fù)雜表面[2]；徐樹坤等人通過測量導(dǎo)線點高程和鉆孔數(shù)據(jù)來計算土方量，利用該方法計算表面積的誤差隨著復(fù)雜程度的增加而增大[3]；H.S.M.Coxeter等人將不規(guī)則平面圖形進行三角劃分來計算面積，此法不適于凹凸不平的表面積計算[4]。

重慶地區(qū)由于高差大，堡坎多，許多小區(qū)及基建設(shè)施建有異型塑石假山和不規(guī)則巖石邊坡，其工程量計算需測繪表面積，若采用傳統(tǒng)測量方法，費時費力，精度難以達到要求。本文針對不規(guī)則物體表面積測量效率低、精度不足的問題，采用地面三維激光掃描技術(shù)，通過實驗分析，得出利用點云計算表面積的精度水平，應(yīng)用于工程實際，高效獲取更加精確的塑石假山表面積成果。

2 三維激光掃描技術(shù)簡介

三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”，采用非接觸式高速激光測量方式，完整高精度地重建掃描物體，快速獲取三維點云數(shù)據(jù)[5～7]，其工作原理為：通過計算掃描中心至目標點的激光束往返脈沖或相位時間差，推算掃描中心距目標點的斜距，匹配記錄下的激光束水平角、垂直角來解算物體表面激光點的三維坐標，同時記錄激光點的反射強度值，以實現(xiàn)全自動陣列式高速、實時掃描[8～10]。通過地面三維激光掃描儀采集不規(guī)則物體表面點云數(shù)據(jù)需要合理分配測站位置，設(shè)置最佳分辨率，以便覆蓋全面、精確拼接，高效完成數(shù)據(jù)采集工作；將獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理，構(gòu)建精確三維模型，以計算高精度表面積成果。

3 精度實驗與分析

由于本文涉及的塑石假山表面積測量項目精度要求遠超一般表面積測量精度，所以開展項目前需進行精度實驗和分析，驗證利用地面三維激光掃描技術(shù)測量不規(guī)則物體高精度表面積的可行性和適用性。

3.1 實驗方案

項目組選用3張A1打印紙編號為1#、2#、3#作為掃描目標，用卷尺測量其尺寸作為真值，然后將3張紙分別曲折不同程度模擬假山表面褶皺情況，利用點云可透過玻璃的原理，將3個目標粘貼于玻璃隔墻上，以規(guī)避目標點云裁剪誤差，采用3臺不同測程與精度的三維激光掃描儀對3個目標進行不同分辨率的掃描，最后對比3個目標不同儀器、不同分辨率下的表面積計算成果，評定精度，確定工程應(yīng)用最佳外業(yè)實施方案。

將1#紙中間凸起只彎折一道折痕作為輕度異型目標，2#紙隨意彎折四道不規(guī)則折痕作為中度異型目標，3#紙窩成一團折成無數(shù)條折痕之后再攤開作為重度異型目標。目標樣式如圖1所示。分別采用徠卡P50、法如FocusS350、徠卡BLK360三維激光掃描儀設(shè)置不同分辨率對3個目標同時進行掃描，然后將獲取的點云數(shù)據(jù)利用Trimble RealWorks軟件進行點云拼接、初步去噪和裁剪，再轉(zhuǎn)入Geomagic Studio進行深度去噪，最后進行封裝構(gòu)建三角網(wǎng)模型，計算表面積。通過點云建立的精細三角網(wǎng)模型如圖2所示。

圖1 1#、2#、3#掃描實驗?zāi)繕?從左向右)

圖2 1#、2#、3#掃描實驗?zāi)繕司毴S模型(從左向右)

3.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)以往經(jīng)驗，考慮數(shù)據(jù)采集效率，每臺三維激光掃描儀選擇常用的高、中、低三個檔次的分辨率，對3個異形程度不同的目標進行掃描，分別統(tǒng)計其表面積計算結(jié)果的真誤差及相對誤差，以確定何種分辨率能夠達到下文工程應(yīng)用要求的千分之三的精度。3個目標的表面積計算成果如表1所示。

不同程度異形目標表面積實驗結(jié)果 表1

分析表1得知，總體來看對比3臺儀器，徠卡P50獲取的3個目標點云表面積計算結(jié)果精度與穩(wěn)定性最好，徠卡BLK360得到的結(jié)果精度與穩(wěn)定性最差；從掃描目標異形程度來看，異形程度越嚴重，表面積計算結(jié)果精度越低。①針對輕度異形1#目標，3臺儀器的前兩檔分辨率都能達到3‰以內(nèi)的精度，徠卡P50和法如FocusS350第一檔分辨率都能達到1‰以內(nèi)，能滿足工程精度要求，第三檔分辨率都能達到7‰以內(nèi)，而徠卡BLK360第三檔分辨率只能達到3%以內(nèi)，差一個數(shù)量級。②針對中度異形2#目標，徠卡P50和法如FocusS350前兩檔分辨率都能達到3‰以內(nèi)，第三檔分辨率都在8‰以內(nèi)，徠卡BLK360只有第一檔分辨率能達到3‰，后兩檔分辨率精度較低。③針對重度異形3#目標，徠卡P50和法如FocusS350前兩檔分辨率相比2#目標變化不大，較穩(wěn)定，第三檔分辨率降低較多，而徠卡BLK360整體精度降低較多，第一檔勉強達到3‰，后兩檔精度低了一個數(shù)量級，第三檔精度只有5%。

究其原因，徠卡P50和法如FocusS350相對徠卡BLK360獲取點云噪點更少，在計算過程中因剔除噪點使精度損失量受目標異形程度影響較小，也與不同儀器分辨率設(shè)置有關(guān)。從分辨率來看，徠卡BLK360只有3檔可調(diào)，且整體分辨率較低，徠卡P50和法如FocusS350分辨率可設(shè)置檔位較多，對比表中兩儀器常用的三檔分辨率，兩者字面分辨率相差不大，且法如FocusS350可通過增加掃描倍數(shù)提高分辨率，理論上應(yīng)優(yōu)于徠卡P50，但就實驗成果來看，兩者掃描輕度與中度異形目標時精度相差不大，但針對重度異形目標時，徠卡P50精度優(yōu)于法如FocusS350，且前者掃描消耗時間少于后者，可能因為徠卡P50做工質(zhì)量與儀器調(diào)校水平比法如FocusS350更高。

考慮到不同掃描儀的購買成本、操作儀器所需人力成本、時間成本，從表1及表2分析可知，徠卡P50所需購買成本及人力成本最高，法如FocusS350次之，徠卡BLK360最低；單站掃描不同分辨率所需平均時間徠卡P50最短，法如FocusS350此之，徠卡BLK360最長。但實際工作中，徠卡P50操作相對復(fù)雜，移動及設(shè)站費時，法如FocusS350與徠卡BLK360操作簡單，輕便易用，所以應(yīng)根據(jù)實際情況采用不同儀器，設(shè)置適當分辨率解決相應(yīng)問題。

綜上所述，采用地面三維激光掃描技術(shù)測量異形物體表面積是可行的，精度能夠達到工程要求的3‰以內(nèi)。針對塑石假山表面積測量，為保證精度和效率，應(yīng)利用徠卡P50和法如FocusS350掃描大部分面積，徠卡BLK360因其便攜性及精度和穩(wěn)定性限制，宜測量小部分面積且狹窄不易設(shè)站的位置，亦可用來查缺補漏。

4 工程應(yīng)用

4.1 項目概況

本項目測量目標為重慶渝北區(qū)某塑石假山堡坎，最高處離地 30 m，長度為 304 m，其表面類似褶皺與溝壑的異型變化較多，測區(qū)實景如圖3所示。因項目整體精度要求較高，達3‰以上，利用常規(guī)儀器難以達到項目所需的精度與效率。項目組經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)有許多深而窄的內(nèi)凹轉(zhuǎn)折，需要采用三維激光掃描技術(shù)，且掃描非常全面、詳細才能達到如此之高的精度，還需結(jié)合不同掃描儀，合理匹配分辨率，以達到滿足精度要求的高效率作業(yè)。

圖3 測區(qū)實景總覽

4.2 儀器參數(shù)與人員配備

本次掃描項目調(diào)用了一個3人小組，3臺掃描儀，一臺RTK及其他相關(guān)附屬設(shè)備，歷時4天完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集。三維激光掃描儀參數(shù)如表2所示。

三維激光掃描儀參數(shù) 表2

4.3 工作流程

項目主要流程包括：數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理、建模及面積計算三個階段。具體工作流程如圖4所示。

圖4 塑石假山表面積測量工作流程圖

(1)數(shù)據(jù)采集階段包含現(xiàn)場踏勘、控制測量、激光掃描等。經(jīng)過踏勘，發(fā)現(xiàn)塑石假山對面有兩棟7層高的新住宅樓，視野較開闊，使用較大的高精度徠卡P50三維激光掃描儀在房頂上對假山進行總體掃描，同時在房頂布設(shè)控制點設(shè)站掃描以便后續(xù)點云坐標配準；然后使用較小的法如FocusS350三維激光掃描儀對假山進行分段式逐站掃描，再利用便攜式BLK360三維激光掃描儀針對凹槽、溝壑、褶皺等變化處進行補漏掃描。獲取的點云兩站之間盡量保證在20%以上的重疊度，利用已有建筑實現(xiàn)無標靶拼接，重疊度無法達到的位置可增設(shè)標靶輔助拼接。

為采集到假山上部人無法達到的較高位置點云數(shù)據(jù)，項目組將BLK360三維激光掃描儀固定在 6 m長的測桿上，從假山頂部伸出，使其保持平躺或斜向下的角度進行外業(yè)掃描，通過實驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗判斷，尋找最佳掃描位置與掃描間距，設(shè)置3.2中驗證可行的分辨率，克服各種死角，順利完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，如圖5所示。

圖5 點云數(shù)據(jù)采集工作照

(2)點云數(shù)據(jù)處理階段包含點云拼接、點云坐標配準、點云裁剪、點云去噪、點云分區(qū)及抽稀。本次采集的外業(yè)數(shù)據(jù)有143站，數(shù)據(jù)量達 165 G，由于數(shù)據(jù)量過大內(nèi)業(yè)計算需分區(qū)分塊進行，以提高計算效率。利用Trimble RealWorks對點云進行拼接、坐標配準、裁剪、初步去噪及分區(qū)，部分測站點云拼接精度及點云預(yù)覽如圖6所示。

圖6 部分測站點云拼接精度表(左)及點云預(yù)覽圖(右)

(3)點云建模及面積計算階段包括點云三維建模、格網(wǎng)優(yōu)化、表面積計算。首先采用Geomagic Studio對點云進行深度去噪，去噪的要點是確定剔除體外孤點的敏感度，一般根據(jù)噪點情況設(shè)為50%～85%，可剔除1～2次，減少噪音方式選擇為自由曲面迭代2～3次，噪點去除之后將點云封裝為三角網(wǎng)模型，再進行格網(wǎng)優(yōu)化，最后計算表面積，計算結(jié)果為 5 270.30 m2。項目組花費一天時間完成了內(nèi)業(yè)計算。部分點云建模展示如圖7所示。項目測量成果經(jīng)建設(shè)方采用貼報紙的方式進行取樣檢驗，最終順利通過驗收。

圖7 部分建模成果展示

5 結(jié) 語

本文通過實驗數(shù)據(jù)驗證了地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于不規(guī)則物體高精度表面積測量是可行的，為測量塑石假山表面積工程中不同掃描儀的結(jié)合方案提供了參考。工程實例表明利用三維激光掃描儀進行異形物體表面積測量具有高效、高精度的優(yōu)勢，并且提供了精確直觀的三維模型。

利用三維激光掃描技術(shù)處理精度要求高、經(jīng)濟糾紛多的表面積及土石方測量等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于高精度點云數(shù)據(jù)處理過程中存在數(shù)據(jù)量大、噪點多等問題，研發(fā)具有智能化點云抽稀、自動去噪等功能的點云數(shù)據(jù)處理軟件能更大程度上提升內(nèi)業(yè)處理效率，更好地開拓三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍。