三維激光掃描儀在實(shí)景三維模型數(shù)學(xué)精度檢驗(yàn)中的研究

趙鵬，陳吳敏，羅浩，張璇

摘? 要：本文以某測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型成果為例，結(jié)合RIEGL VZ-2000i 長(zhǎng)距離三維激光掃描儀采集測(cè)區(qū)地面點(diǎn)坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將三維激光掃描儀檢測(cè)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方式獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)合內(nèi)業(yè)進(jìn)行對(duì)比分析，研究三維激光掃描技術(shù)在數(shù)學(xué)精度檢驗(yàn)中的可行性。研究表明三維激光掃描儀可為實(shí)景三維測(cè)繪成果的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，是傾斜攝影建模技術(shù)的有效檢測(cè)途徑之一。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；傾斜攝影實(shí)景三維模型；精度檢驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-5603（2023）03-116-05

Research on the Mathematical Accuracy Testing of Real 3D Models Based on 3D Laser Scanners

Zhao Peng，Chen Wuming，Luo Hao，Zhang Xuan

（Hunan Province Surveying and Mapping Product Quality Supervision and Inspection

Authorization Station，Changsha Hunan 434000）

Abstract： This article takes the actual 3D model results of a certain survey area as an example， and combines the RIEGL VZ-2000i long-distance 3D laser scanner to collect ground point coordinate detection data of the survey area， and processes the data. Compare and analyze the results of 3D laser scanner detection data with those obtained through traditional methods， and study the feasibility of using 3D laser scanning technology in mathematical accuracy testing. Research has shown that 3D laser scanners can provide inspection data for the quality evaluation of real-world 3D surveying results， and are one of the effective detection methods for oblique photography modeling technology.

Keywords： 3D laser scanner; 3D model of oblique photography reality; Accuracy inspection

0 引言

實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是落實(shí)數(shù)字中國(guó)、平安中國(guó)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的重要舉措，是落實(shí)國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的具體部署，是服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐[1]。隨著國(guó)家“十四五”基礎(chǔ)測(cè)繪規(guī)劃編制工作的啟動(dòng)、“數(shù)字城市”和“實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)”的推動(dòng)，以及尚未正式出臺(tái)用于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)檢的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，研究一種檢驗(yàn)實(shí)景三維模型數(shù)學(xué)精度的方法勢(shì)在必行，為今后“國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要”的實(shí)施和實(shí)景三維模型產(chǎn)品的檢驗(yàn)提供意見(jiàn)建議。

目前，由于傾斜攝影實(shí)景三維模型在生產(chǎn)工藝、成果表現(xiàn)、應(yīng)用層次等方面均與傳統(tǒng)三維建模不同[2]，原國(guó)家測(cè)繪地理信息局頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（CH/T 9024-2014）不能滿(mǎn)足對(duì)實(shí)景三維模型產(chǎn)品的質(zhì)量檢查與評(píng)定。現(xiàn)階段，測(cè)量?jī)x器隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也在不斷的更新?lián)Q代[3]，地面三維激光掃描技術(shù)日漸成熟，國(guó)內(nèi)很多研究院和大專(zhuān)院校正在加快三維激光掃描技術(shù)與理論的研究，并取得了一定成果[4]，推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在工業(yè)測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、三維建模等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。我們通過(guò)在測(cè)區(qū)實(shí)際采用地面三維激光掃描儀獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)方式獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，對(duì)其在質(zhì)量檢驗(yàn)中的可行性進(jìn)行探索。

1 三維激光掃描系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文用RIEGL VZ-2000i超高速、長(zhǎng)距離三維激光掃描儀作為測(cè)量工具，該儀器采用全新的處理器，以未來(lái)導(dǎo)向性為基準(zhǔn)，結(jié)合創(chuàng)新處理體系結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)連接以及最新全波形處理技術(shù)，即使在氣象條件惡劣的情況下也能進(jìn)行快速、高精度、長(zhǎng)距離的測(cè)量。

1.1 工作原理

三維激光掃描儀在測(cè)量時(shí)不需要過(guò)多的人工干預(yù)，工作時(shí)兩個(gè)同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，通過(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)射出到經(jīng)被測(cè)物體表面反射回儀器所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)與設(shè)備間的距離。掃描控制系統(tǒng)同時(shí)控制和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)物體上每個(gè)激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)[5]。

三維激光掃描儀的測(cè)量原點(diǎn)在儀器中心0，Y軸為儀器固定方向，Z軸為豎直向上，X軸由右手規(guī)則確定，由此建立掃描坐標(biāo)系。定義儀器中心至測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離為S；自 X 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至掃描方向在XY 平面內(nèi)的投影線的角度為水平掃描角α; 掃描方向旋轉(zhuǎn)至其水平投影線的角度為垂直掃描角θ，仰角為正，俯角為負(fù); 由此可得極坐標(biāo)為（ S，α，θ） 并進(jìn)一步建立右手空間直角坐標(biāo)系[6-7]，如圖1 所示。

三個(gè)觀測(cè)量滿(mǎn)足下式：

X= S×cosθ×cosα

Y= S×cosθ×sinα

Z= S×sinθ

其中，S為掃描儀中心到目標(biāo)物體的斜距，θ為垂直角，α為水平角。

1.2 系統(tǒng)性能與技術(shù)參數(shù)

RIEGL VZ-2000i三維激光掃描儀的硬件系統(tǒng)主要由激光掃描儀、系統(tǒng)軟件、存儲(chǔ)設(shè)備、電源以及附屬設(shè)備等幾大部分組成。激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)集成了CCD數(shù)碼相機(jī)和儀器內(nèi)部控制與校正系統(tǒng)等。RIEGL VZ-2000i三維激光掃描系統(tǒng)主要部件參數(shù)如表1所示。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 測(cè)區(qū)概況

項(xiàng)目測(cè)區(qū)位于北緯28°00′～28°10′，東經(jīng)112°50′～113°00′，提取部分實(shí)景三維模型成果進(jìn)行研究，模型未精修處理。測(cè)區(qū)主要處于市區(qū)，植被極少，絕大部分為高層建筑。測(cè)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，海拔100 m左右，年平均溫度為17.2 ℃。

2.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)此次項(xiàng)目測(cè)區(qū)的地理位置及控制點(diǎn)的布設(shè)，盡量選取在視野開(kāi)闊、遮擋物較少、有控制點(diǎn)的區(qū)域開(kāi)展檢測(cè)作業(yè)。首先用三維激光掃描

儀擺站掃描（至少在鄰近的控制點(diǎn)上擺三站掃描），再用全站儀傳統(tǒng)測(cè)量手段進(jìn)行地物測(cè)量，最后內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)提取進(jìn)行精度對(duì)比分析?；赗IEGL VZ-2000i三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量的作業(yè)流程如圖2 所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測(cè)區(qū)地形特征、面積大小、掃描是否存在盲區(qū)等實(shí)際情況，總共設(shè)計(jì)了5個(gè)測(cè)量站，相鄰測(cè)量站之間的重疊程度不低于30%，設(shè)置掃描參數(shù)為1.2MHZ，掃描的最大距離為600 m， 每個(gè)測(cè)量站其垂直角與水平角分別為100°與360°。同時(shí)在掃描儀工作中，掃描四周均設(shè)有屏障，以免人員或車(chē)輛穿過(guò)掃描視野而對(duì)掃描結(jié)果造成影響[8]。

依據(jù)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 24356-2009）和《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（CH/T 9024-2014）標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)房屋模型的坐標(biāo)和懸高進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、平差

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是基于掃描儀自身的內(nèi)部坐標(biāo)系，而項(xiàng)目數(shù)據(jù)是基于CGCS2000坐標(biāo)系，故需要在RISCAN PRO軟件下進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云的高精度配準(zhǔn)。點(diǎn)云高精度配準(zhǔn)分為點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和多站平差兩步[9-10]。圖3為多站點(diǎn)平差結(jié)果，滿(mǎn)足精度要求；圖4、圖5分別是原始數(shù)據(jù)和多站拼接平差、去噪、濾波后的數(shù)據(jù)。

（2）特征點(diǎn)提取

首先統(tǒng)一點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型成果坐標(biāo)系統(tǒng)，再進(jìn)行多站點(diǎn)平差，最后選取同名特征點(diǎn)位置坐標(biāo)，導(dǎo)出檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)文件，疊加到模型進(jìn)行精度對(duì)比分析，如圖6、圖7所示。

3 精度分析

根據(jù)實(shí)地采集的特征點(diǎn)，對(duì)三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型的平面和懸高精度對(duì)比分析，如表2所示。

表中，點(diǎn)云與實(shí)測(cè)平面位置最大誤差值為0.30 m，中誤差值為0.09 m；點(diǎn)云與模型平面位置最大誤差值為0.23 m，中誤差值為0.06 m；點(diǎn)云與實(shí)測(cè)懸高差最大誤差值為0.16m，中誤差值為0.07 m；點(diǎn)云與模型懸高差最大誤差值為0.18 m，中誤差值為0.08 m。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)量精度完全符合《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 24356-2009）和《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（CH/T 9024-2014）標(biāo)準(zhǔn)。因此，三維激光掃描儀適用實(shí)景三維模型數(shù)學(xué)精度檢驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范，分析研究三維激光掃描儀對(duì)實(shí)景三維模型和實(shí)測(cè)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)精度，可以得出以下結(jié)論：

（1）RIEGL VZ-2000i三維激光掃描儀的檢測(cè)精度能滿(mǎn)足實(shí)景三維模型數(shù)學(xué)精度規(guī)范要求。

（2）為今后“國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要”的實(shí)施、“數(shù)字城市”和“實(shí)景三維城市”建設(shè)，實(shí)景三維模型產(chǎn)品的檢驗(yàn)、提供意見(jiàn)和建議。

三維激光掃描儀具有速度快、精度高、無(wú)需接觸目標(biāo)等諸多特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，能在一定程度上規(guī)避GPS-RTK信號(hào)干擾以及全站儀視線遮擋的問(wèn)題，能在一定程度上減小野外測(cè)量的工作強(qiáng)度，但在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面還有待優(yōu)化。

（3）從以上結(jié)論可以看出，三維激光掃描儀對(duì)實(shí)景三維模型數(shù)學(xué)精度檢驗(yàn)是可行的，在國(guó)家尚未出臺(tái)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)的情況下，我們要在實(shí)踐中歸納與總結(jié)，提高實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量和檢驗(yàn)方法，這也是今后需要研究的課題。

參考文獻(xiàn)/References

[1] 自然資源部.實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)大綱（2021）[Z]（2021-08-16）[2023-04-09].

[2] 國(guó)家測(cè)繪地理信息局.中華人民共和國(guó)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收CH/T 9024-2014[S].北京：測(cè)繪出版社，2014.

[3] 李善宏，付彪，陳元壽，等.三維激光掃描儀在地形測(cè)繪中的應(yīng)用[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2020（4）：187-188.

[4] 張會(huì)霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 徐祖艦，王滋政，陽(yáng)鋒. 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐[M].湖北武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[6] 劉春，張?zhí)N靈，吳杭彬. 地面三維激光掃描儀的檢校與精度評(píng)估[J].工程勘察，2009，37 （11）：56-60，66.

[7] 官云蘭，程效軍，詹新武，等.地面三維激光掃描儀系統(tǒng)誤差標(biāo)定[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2014，43（7）：731-738.

[8] 陳長(zhǎng)奎.地面三維激光掃描地形測(cè)量數(shù)據(jù)粗差剔除算法及實(shí)現(xiàn)模式[J].資源信息與工程，2017（2）：130-131.

[9] 彭維吉，李孝雁，黃颯.基于地面三維激光掃描技術(shù)的快速地形圖測(cè)繪[J].測(cè)繪通報(bào).2013（3）：70-72

[10] 徐銳，康慨，王陸軍，等. RIEGL VZ-4000三維激光掃描儀在水利水電工程地形測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 地礦測(cè)繪，2015，31（1）：38-40.