三維激光掃描技術(shù)在地下空間測量中的應(yīng)用

李嘉禾，李國柱，趙子龍，陳舫益

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.云南海鉅地理信息技術(shù)有限公司，云南 昆明 650106；3.云南省測繪產(chǎn)品檢測站，云南 昆明 650034)

1 引 言

隨著大量人口涌入城市，導(dǎo)致城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，許多城市對空間的利用要求也相對提升。目前對城市地下空間的開發(fā)也愈發(fā)得到青睞，地下交通設(shè)施、地下人防、地下停車場、大型地下商場這些多樣化的地下空間的數(shù)量迅速增加。地下空間測量能為地下空間的管理提供空間規(guī)模、用途、位置等基本數(shù)據(jù)支持，同時可為后期室內(nèi)定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)快速地獲取地下空間數(shù)據(jù)十分必要，因此高效的地下空間測量方法顯得尤為重要。

三維激光掃描技術(shù)作為近年來新興的一門測繪技術(shù)，可以快速高效地獲取高密度的點云數(shù)據(jù)，并重建目標(biāo)的三維模型，已在古建筑保護(hù)、考古測量、工業(yè)制造、結(jié)構(gòu)測量、河道測繪、橋梁、建筑物地基測繪等方面得到廣泛應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)測量方法相比，三維激光掃描技術(shù)無須接觸目標(biāo)，可以快速準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，且具有密度高、精度高等特點[2]。適用于大面積及復(fù)雜表面物體的測量和物體局部細(xì)節(jié)的測量，以及目標(biāo)表面、截面、斷面、體積、等值線等的計算，為測繪人員突破傳統(tǒng)測量技術(shù)提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取手段。并且，三維激光掃描技術(shù)可以深入到復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，大面積、高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[3]。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地下空間測量中，可以更好地獲取地下空間數(shù)據(jù)，提升工作效率。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 RTC360地面三維激光掃描儀

RTC360三維激光掃描儀融合了徠卡三大核心先進(jìn)技術(shù)：TruRTC實景復(fù)制技術(shù)、VIS視覺追蹤技術(shù)、SmartReg智能拼接技術(shù)，使RTC360三維激光掃描儀與徠卡FIELD 360外業(yè)操控軟件、REGISTER360智能拼接軟件完美結(jié)合，設(shè)備輕便，操作簡單，是一套集智能、簡單、高效、極速于一體的三維激光掃描儀[4]。RTC360配備的3個 1 200萬像素的HDR全景相機(jī)，拍照只需要一分鐘，成像清晰，且不受環(huán)境光源的影響，可以滿足不同場景的應(yīng)用需求，其最高點位精度達(dá)到 1.9 mm，測角精度18″，測距精度1 mm+10 ppm，最大有效范圍 130 m，掃描速率高達(dá) 2 000 000點/s?；赗TC360三維激光掃描儀的地下空間測量總體流程如圖1所示：

圖1 整體流程圖

2.2 控制測量

為了將采集的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到指定坐標(biāo)系下和對點云數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查及精度驗證，首先需要進(jìn)行控制測量。項目分為地面控制和地下控制兩部分。地面采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式布設(shè)平面二級點，采用四等水準(zhǔn)測量方式進(jìn)行高程測量；地下控制采用導(dǎo)線方式施測。點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換選用分布相對均勻的地下空間出入口(≥2個)地面控制點進(jìn)行轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 點云數(shù)據(jù)采集

在使用RTC360進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集時，主要使用的是其VIS功能和智能拼接功能。RTC360利用其分布于四周的5個相機(jī)，可以對測站進(jìn)行視覺追蹤，辨別測站的行進(jìn)方向，并進(jìn)行測站的定位。配合IMU實時計算兩個連續(xù)站點間的相對位置，通過智能拼接功能可對測區(qū)內(nèi)的測站實現(xiàn)掃描過程中的實時自動拼接，極大地提高了工作效率。

掃描作業(yè)時，基于IMU的傾斜補償和其內(nèi)置的測高儀，RTC360無須整平可直接進(jìn)行測量。為了保證拼接精度，每站掃描保持20%以上重疊度，掃描時需按照現(xiàn)場的實際情況控制測站間的距離，測站間距一般控制在 10 m～50 m之間，視野受限時可適當(dāng)減小測站間距，為避免掃描盲區(qū)，在地下空間轉(zhuǎn)角處應(yīng)設(shè)站掃描。掃描單個地下空間時，其內(nèi)部掃描的控制點或?qū)Ь€點的個數(shù)應(yīng)不少于3個。掃描控制點和導(dǎo)線點時，可進(jìn)行多方位的掃描，這樣可以有效地提高整體的精度。在光照條件極差的環(huán)境中，RTC360的VIS功能失效，可用徠卡FIELD 360軟件進(jìn)行測站的實時關(guān)系連接，并且可以通過該軟件實時查看掃描成果，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查。

3 數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包含點云配準(zhǔn)、點云去噪、點云抽稀。點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)常采用Besl和Mckay在1992年提出的最近鄰迭代配準(zhǔn)(iterative closest point，ICP)算法實現(xiàn)對兩個掃描站的拼接，ICP算法是一個迭代優(yōu)化過程，用于尋找兩個三維表面點集最優(yōu)匹配的剛性變換[5]。

規(guī)則地下空間場景，RTC360三維激光掃描儀及配套的REGISTER 360智能拼接軟件能實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的自動拼接。在點云數(shù)據(jù)預(yù)處理時，無須再進(jìn)行點云配準(zhǔn)，自動拼接后只需對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行目視檢查，防止不同角度上的空間剖面存在分層、錯位、鏡像等與實地情況不匹配的現(xiàn)象，應(yīng)特別注意如樓梯間、設(shè)備間這類相似特征較多的房間進(jìn)行連續(xù)掃描所獲得的數(shù)據(jù)，必須對自動拼接后的成果進(jìn)行檢查，并對其拼接精度進(jìn)行驗證，確保點云的拼接精度達(dá)到項目要求。點云配準(zhǔn)精度如表1所示，其中重疊度表示兩測站或整體點云模型中的重復(fù)量，強度表示的是點云數(shù)據(jù)的反射率，點云到點云表示的是點云模型中相似點云間的拼接誤差。點云配準(zhǔn)精度如表1所示：

點云配準(zhǔn)精度 表1

3.1 點云去噪

非封閉空間掃描易受到外部因素的影響，如移動的車輛和路過行人以及其他構(gòu)筑物等非目標(biāo)地物的存在對目標(biāo)地物的遮擋[6]，或是目標(biāo)物附近的強光源和強反射物，以及人為操作失誤的影響，都會導(dǎo)致掃描得到的原始點云數(shù)據(jù)中某些關(guān)鍵部位存在大量冗余點和缺失數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)預(yù)處理中需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行點云去噪處理。

利用Leica Cyclone點云處理軟件中的點云過濾功能，可以去除點云數(shù)據(jù)中較為獨立、無關(guān)聯(lián)性的噪點。對于點云數(shù)據(jù)中獨立的大范圍冗余點云，可以通過人工交互操作，轉(zhuǎn)換不同視角，實現(xiàn)冗余點云的剔除。如圖2所示，兩個白色方框中的點云數(shù)據(jù)即為冗余點云，在Cyclone軟件中框選并刪除相應(yīng)位置的點云數(shù)據(jù)，即可完成點云數(shù)據(jù)中獨立的大范圍冗余點云的去除，去除冗余點云后的效果如圖3所示。另外，對于點云數(shù)據(jù)中與其他點云數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的冗余數(shù)據(jù)或噪點，不能直接框選刪除，如圖4所示，紅色圓圈中為鏡面反光所產(chǎn)生的噪點數(shù)據(jù)，無論旋轉(zhuǎn)什么視角，框選刪除都會影響到其他點云，對于這類數(shù)據(jù)需要先用Cyclone軟件中的LimitBox功能處理，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行刪改，刪除噪點后的點云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖2 去除冗余數(shù)據(jù)前點云圖

圖3 去除冗余數(shù)據(jù)后點云圖

圖4 去噪前點云圖

圖5 去噪后點云圖

3.2 點云抽稀

在使用徠卡RTC360進(jìn)行地下空間測量時，即便使用的是最低精度的掃描模式，但由于其高達(dá)200萬點每秒的掃描速率，還是會使點云數(shù)據(jù)的規(guī)模過于龐大。為了降低后期點云處理和建模過程中的數(shù)據(jù)運算量，需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，使得點云數(shù)據(jù)更加均勻，提高建模的精度和效率[7]。Leica Cyclone點云處理軟件中的點云抽稀功能，可以自由設(shè)置抽稀的密度，軟件會根據(jù)設(shè)置的抽稀密度優(yōu)化整個點云模型，抽稀前的點云數(shù)據(jù)如圖6所示，點云密度大并且可以看出有一定的點云厚度，抽稀后的點云數(shù)據(jù)如圖7所示，點云密度及點云厚度都被很大程度地降低，但整體點云模型的框架沒有發(fā)生改變，以此來達(dá)到精簡數(shù)據(jù)的目的。

圖6 抽稀前點云圖

圖7 抽稀后點云圖

3.3 點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在進(jìn)行地下空間測量時，由于使用的三維激光掃描儀無法在絕對坐標(biāo)系下進(jìn)行測量，因此測得的點云數(shù)據(jù)都是在相對坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)任意坐標(biāo)系與項目要求的目標(biāo)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，需要將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到指定的坐標(biāo)系下。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過公共點(公共標(biāo)靶)來計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換過程通常利用布爾莎7參數(shù)模型，即3個平移參數(shù)[△X，△Y，△Z]T，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)[εX，εY，εZ]T和1個尺度參數(shù)m，無單位[8]。本項目的點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在REGISTER360智能拼接軟件或者Leica Cyclone點云處理軟件中完成，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)主要通過分布相對均勻的地下空間出入口(≥2個)地面控制點作為標(biāo)靶點坐標(biāo)來求轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)而完成點云模型整體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.4 點云數(shù)據(jù)矢量化

根據(jù)項目需求對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行輪廓提取，輪廓線的提取可以借助于AutoCAD軟件，也可以通過編程或借助于點云處理軟件或三維建模軟件來完成[9]?；賉10]利用AutoCAD軟件中的KubitPointcloud插件所提供的分層切片技術(shù)來完成建筑輪廓線的提取。張遠(yuǎn)翼[11]通過Leica Cyclone點云處理軟件中配套的Coudworx插件將點云模型導(dǎo)入AutoCAD中進(jìn)行點云模型的切片，并對切片后的點云進(jìn)行建筑輪廓線的提取。

本項目使用的是清華山維EPS軟件，利用軟件中的點云處理模塊對輪廓線進(jìn)行提取，進(jìn)行點云數(shù)據(jù)輪廓提取前僅需將點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為EPS軟件識別的格式。處理后的點云數(shù)據(jù)可作為地下空間矢量化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從點云數(shù)據(jù)中可以準(zhǔn)確地獲得地下空間的實際情況，如地下空間范圍、安全通道的走向、地下空間各種設(shè)施的分布情況，以及地下空間頂部管道的位置走向等，甚至可以提供準(zhǔn)確的寬高等幾何尺寸信息，獲得的矢量圖還可以在后期的三維建模中作為底圖使用。根據(jù)項目需求，地下空間測量范圍包含夾層及內(nèi)部通道，矢量化后的數(shù)據(jù)如圖8所示：

圖8 矢量化成果圖

4 精度分析

徠卡RTC360在掃描過程中使用了IMU傾斜補償技術(shù)和VIS視覺追蹤技術(shù)實現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)采集過程中儀器的自動定位定姿，后期點云數(shù)據(jù)的拼接也在REGISTER360智能拼接軟件實現(xiàn)了一體化的自動拼接，因此在軟件內(nèi)點云數(shù)據(jù)的拼接精度可以直接在REGISTER360智能拼接軟件或Leica Cyclone點云處理軟件中查看。

本次的地下空間測量項目中，首先通過閉合導(dǎo)線或附合導(dǎo)線測量的方式獲取地下空間內(nèi)圖根控制點，之后通過傳統(tǒng)測量的方式對測區(qū)內(nèi)的特征點進(jìn)行實地測量，以傳統(tǒng)測量測得的數(shù)據(jù)作為真值與三維激光掃描儀測得的數(shù)據(jù)相對比，以此達(dá)到精度檢驗的目的，其中特征點主要包括墻面或者結(jié)構(gòu)柱的角點、地下通道出入口的位置和地下空間出入口的地坪高度等。本文利用全站儀和測距儀對抽樣的地下空間測量多組特征點坐標(biāo)以及特征物體的寬高和高差值作為檢驗數(shù)據(jù)，利用Leica Cyclone點云處理軟件對點云模型中的多組距離和高差進(jìn)行量測?？紤]偶然誤差因素，內(nèi)業(yè)對同一特征點的量測取3次測量的平均值作為量測值。將全站儀和測距儀測量的數(shù)據(jù)視為檢驗數(shù)據(jù)的真值，將點云模型的量測值視為檢驗數(shù)據(jù)的觀測值，結(jié)果如表2、表3所示。根據(jù)全站儀和測距儀測量的數(shù)據(jù)與點云中的數(shù)據(jù)對比得到結(jié)果表明，通過點云測量得到的數(shù)據(jù)能夠滿足地下空間普查項目的需求。

全站儀與掃描儀測量值 表2

測距儀與掃描儀測量值 表3

5 結(jié) 語

本文分析了利用徠卡RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行地下空間測量的操作過程，對該方案中需要注意的事項進(jìn)行了說明，并通過精度統(tǒng)計驗證了該方案的可行性。運用徠卡RTC360三維激光掃描儀能夠快速獲取地下空間的點云數(shù)據(jù)，通過REGISTER360智能拼接軟件可實現(xiàn)點云的無標(biāo)靶自動拼接，且其相對精度較高，很大程度上提高了地下空間測量的工作效率。而且通過Leica Cyclone點云處理軟件生成的點云數(shù)據(jù)可與市面上常用的二次處理軟件兼容，點云數(shù)據(jù)的開發(fā)性較強。

但是在點云數(shù)據(jù)處理中，由于點云數(shù)據(jù)的規(guī)模龐大，因此對數(shù)據(jù)處理設(shè)備的要求較高，且數(shù)據(jù)冗余問題會直接影響點云數(shù)據(jù)預(yù)處理的效率，同時會增加點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換時的工作量。這些問題還有待在后續(xù)的研究中進(jìn)一步解決。