靜站式與移動式三維激光掃描的精度對比分析

陳富強

（1.河南省地質(zhì)局礦產(chǎn)資源勘查中心，河南 鄭州 450006）

三維激光掃描又稱實景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS之后又一次技術(shù)革命[1]。與傳統(tǒng)測量方法相比，三維激光掃描具有操作簡便、自動化程度高、工作效率高、精度高、非接觸式等一系列優(yōu)點[2]。目前，三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地下工程變形監(jiān)測、鐵路勘探、數(shù)字化城市建設(shè)、考古研究等領(lǐng)域[3-6]。

傳統(tǒng)的隧道變形監(jiān)測方法主要包括測距儀法和全站儀法兩種，但這兩種方法都具有比較明顯的缺陷：①監(jiān)測點數(shù)量受到限制，不能全面反映隧道整體的變形情況；②監(jiān)測周期相對較長，外業(yè)工作量大，獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)相對滯后；③傳統(tǒng)方法對作業(yè)環(huán)境要求較高[7-8]。三維激光掃描技術(shù)作為全新的測繪學(xué)科技術(shù)，已在變形監(jiān)測領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果[9]；但從國內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀來看，目前關(guān)于三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測領(lǐng)域的研究成果主要集中在利用地面靜站式三維激光掃描技術(shù)[10]，由于地鐵隧道具有超長線狀結(jié)構(gòu)，該方法需要設(shè)站、換站，工作量較大，且無法很大程度地提高外業(yè)效率，數(shù)據(jù)獲取相對滯后?；谲壍佬≤嚨囊苿邮饺S激光掃描技術(shù)彌補了靜站式的不足，這將是地鐵隧道變形監(jiān)測技術(shù)的一大革新[11-12]，但問題在于這種新技術(shù)目前國內(nèi)鮮有研究。本文利用靜站式與移動式三維激光掃描分別對控制點坐標進行提取，并對其應(yīng)用成果進行精度評定，旨在為今后三維激光掃描在隧道監(jiān)測中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 三維激光掃描的組成與簡介

三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描模塊、控制模塊和計算機模塊3個部分組成，其中掃描模塊主要包括激光測距和激光掃描；控制模塊通過計算機總線控制掃描模塊和測距模塊來保證掃描工作的正常進行；計算機模塊通過系統(tǒng)指令的方式來控制儀器工作，并存儲測量數(shù)據(jù)[3]。

三維激光掃描儀工作時通過馬達的快速旋轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)動掃描儀頭部，從而開始掃描作業(yè)，同時掃描儀內(nèi)部激光發(fā)射器發(fā)射激光，經(jīng)待掃描物體反射后激光回到掃描模塊，被掃描模塊中的接收器接收，根據(jù)掃描的角度和反射時間推導(dǎo)出掃描儀與待掃描物體的距離，再結(jié)合掃描儀自身三維坐標信息計算得到掃描點的坐標信息。外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，每臺三維激光掃描儀都采用獨立坐標系，掃描儀的中心點為坐標系原點，X軸與Y軸相互垂直，位于水平掃描視場，Z軸垂直于X、Y軸構(gòu)成的平面，位于豎向視場，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描原理圖

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，可得到目標物體的三維坐標計算公式，即

式中，S為掃描儀到物體的距離；α、β分別為水平向掃描角度和豎向掃描角度。

1.1 靜站式三維激光掃描

靜站式三維激光掃描由激光掃描儀和數(shù)碼相機組成，其作業(yè)架站方式與全站儀作業(yè)類似。靜站式三維激光掃描可對特定目標區(qū)域數(shù)據(jù)進行快速采集，再通過處理采集數(shù)據(jù)建立目標區(qū)域的三維模型。靜站式三維激光掃描儀具有使用方便、快捷、價格便宜、精度高等優(yōu)點，在外業(yè)作業(yè)過程中，通過不同測站對不同目標區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，再通過公共區(qū)域的掃描對不同測站采集的數(shù)據(jù)進行融合，從而建立目標區(qū)域的三維坐標信息。外業(yè)作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 靜站式三維激光掃描

1.2 移動式三維激光掃描

與靜站式三維激光掃描相比，移動式三維激光掃描的系統(tǒng)更加復(fù)雜，主要由三維激光掃描技術(shù)、數(shù)字攝影測量技術(shù)、導(dǎo)航與定位技術(shù)組合而成。目前，移動式三維激光掃描主要依托于車載、船載和機載等移動工具進行外業(yè)掃描作業(yè)，可適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境、快速高效獲取目標信息，具有效率高、速度快但價格昂貴的特點。

2 三維激光掃描作業(yè)流程

三維激光掃描作業(yè)流程主要包括外業(yè)掃描作業(yè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分，外業(yè)掃描作業(yè)主要是數(shù)據(jù)采集工作，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括坐標轉(zhuǎn)換處理、點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)融合、點云數(shù)據(jù)降噪以及結(jié)果的可視化輸出等步驟。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集的過程中，三維激光掃描儀掃描的點云僅是點與點之間的相對位置關(guān)系，因此在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中需先進行坐標轉(zhuǎn)換，將相對位置關(guān)系轉(zhuǎn)換為絕對位置關(guān)系。點云數(shù)據(jù)拼接是把外業(yè)采集的數(shù)據(jù)拼接成一個整體的過程。外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，各測站往往會使用獨立坐標系，因此采集的位置關(guān)系都是相對坐標。點云優(yōu)化是指對外業(yè)重復(fù)采集的數(shù)據(jù)進行篩選、剔除，再進行數(shù)據(jù)融合和降噪處理。

靜站式三維激光掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需對坐標進行轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)拼接，通常通過掃描公共區(qū)域進行點云坐標轉(zhuǎn)換，采用七參數(shù)模型，即

式中，[ΔXΔYΔZ]T為平移參數(shù)；[ξXξYξZ]T為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m為尺度參數(shù)。

移動式三維激光掃描內(nèi)業(yè)處理時，首先對外業(yè)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，再設(shè)置掃描角度、反射率等參數(shù)以及斷面參數(shù)信息，最后對同一斷面內(nèi)的數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差處理，使三維坐標信息可靠。

3 案例分析

本文以全站儀測量平面控制點坐標為參考值基準，對靜站式和移動式三維激光掃描儀測得的控制點坐標進行精度評估。靜站式與移動式三維激光掃描精度的對比分析結(jié)果如表1和圖4所示，可以看出，靜站式三維激光掃描控制點的坐標精度整體上優(yōu)于移動式三維激光掃描的精度；X方向上靜站式與移動式三維激光掃描的最大偏差分別為5.9 mm和9.9 mm；Y方向上靜站式與移動式三維激光掃描的最大偏差分別為5.6 mm和9.7 mm，且6號點的靜站式偏差大于移動式偏差；H方向上靜站式與移動式三維激光掃描的最大偏差分別為5.6 mm和10.0 mm；靜站式三維激光掃描儀測得的控制點坐標偏差平均值分別為4.32 mm、4.84 mm和4.49 mm，均達到毫米級的精度；移動式三維激光掃描儀測得的控制點坐標偏差平均值分別為7.59 mm、7.37 mm和8.00 mm，但最大偏差值超過了10 mm，因此移動式三維激光掃描只有厘米級精度。

表1 靜站式與移動式三維激光掃描精度對比分析

圖4 不同掃描方法控制點與參考值的偏差

4 結(jié)語

本文以全站儀測量平面控制點坐標為參考值基準，對靜站式三維激光掃描和移動式三維激光掃描進行精度評估。實驗結(jié)果表明，靜站式三維激光掃描精度優(yōu)于移動式三維掃描，靜站式三維激光掃描達到毫米級精度，而移動式三維激光掃描只有厘米級精度。本文實驗結(jié)果可為今后使用三維激光掃描對地下工程進行變形監(jiān)測和病害監(jiān)測提供參考依據(jù)。