張志娟，田繼成，葛魯勇，謝宏全，薛 勇

(1.天津市寶坻區(qū)土地整理中心，天津 301800；2.大同市勘察測繪院，山西大同 037006；3.淮海工學院，江蘇連云港 222005；4.北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100107)

全站儀模式獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法研究

張志娟1，田繼成2，葛魯勇3，謝宏全3，薛 勇4

(1.天津市寶坻區(qū)土地整理中心，天津 301800；2.大同市勘察測繪院，山西大同 037006；3.淮海工學院，江蘇連云港 222005；4.北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100107)

結合傳統(tǒng)測量理論的基礎方法和三維激光掃描作業(yè)的先進方式，通過實例驗證比較和數(shù)據(jù)分析來詳細闡述采用全站儀模式作業(yè)獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的方法可行性。

地面三維激光掃描；點云；全站儀模式

一、引 言

地面三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術，是測繪領域繼GPS技術之后的又一次技術革命。目前已經(jīng)逐漸成為廣大科研和工程技術人員全新的解決問題的手段，并逐漸取代一些傳統(tǒng)的測繪手段，為工程與科學研究提供了更準確的數(shù)據(jù)。隨著三維激光掃描設備在性能方面的不斷提升，相應的作業(yè)方法也隨之進入大家的研究視線，常規(guī)的掃描型作業(yè)方式是掃描儀從最初應用即開始使用的模式，技術雖然成熟，但在效率和精度上還有提高的空間。本文即從這個視角，通過試驗論證采用全站儀模式作業(yè)獲取的三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法的可行性。

二、全站儀模式獲取點云數(shù)據(jù)精度研究

1.點云數(shù)據(jù)獲取與拼接

選擇合適的掃描目標分別采用全站儀模式方法、標靶掃描方法和特征點方法進行掃描，數(shù)據(jù)獲取過程簡要說明如下。

(1)標靶掃描方法

將4個標靶置于待掃描對象的外圍，將儀器架設在最佳距離(15 m左右)的位置，對目標物進行掃描，完成該站的目標物掃描任務以后，對標靶進行編號并掃描，完成該測站的掃描任務以后將儀器遷至下一個測站直至完成全部的掃描任務，且相鄰兩站之間至少有3個公共標靶。掃描任務完成后即利用掃描到的標靶點云數(shù)據(jù)進行拼接。

(2)特征點方法

在設站點架設儀器，對掃描對象進行掃描，以球形標靶作為特征點使用，掃描完成后遷至下一個測站直至完成全部掃描任務。后期數(shù)據(jù)處理時找出相鄰測站至少3個公共點以進行點云拼接。

(3)全站儀模式方法

在場地內(nèi)布設4個控制點，在一個點架設儀器，在前后相鄰的控制點上同時架設標靶(如圖1所示)。按照全站儀模式的外業(yè)操作流程完成本次掃描任務。

圖1 標靶架設

用Cyclone軟件分別對3種方法獲取的數(shù)據(jù)進行點云拼接處理，得到3種方法的點云拼接結果。對3種方法的點云拼接精度取拼接精度誤差最大值，數(shù)值如表1所示。

表1 點云拼接精度m

2.試驗結果分析

由表1可知：全站儀模式方法和標靶掃描法的點云拼接精度滿足工程的需求。特征點方法的點云拼接精度誤差較大不能滿足高精度工程的需求，標靶掃描法是現(xiàn)階段較常用的掃描方法且精度較高。全站儀模式方法與標靶掃描方法的點云拼接精度相當，因此，此方法也滿足工程精度要求高的工程。

通過3種方法試驗對比與分析，全站儀模式相的特點敘述如下。

(1)外業(yè)操作方面

全站儀模式方法作業(yè)時間稍長，主要是標靶架設時需要幾分鐘時間。對于不規(guī)則掃描對象，全站儀模式方法具有很大的優(yōu)勢，可以大大減少架設儀器的次數(shù)，從而大大節(jié)省掃描時間，減小勞動強度。另外，當工程由于天氣和時間等因素暫停掃描時，只要相鄰兩個控制點在地面的標志穩(wěn)固，工程可以隨時進行后續(xù)掃描，同時能夠保證兩次的掃描數(shù)據(jù)高精度地銜接。

(2)內(nèi)業(yè)處理方面

全站儀模式能夠大大的節(jié)省內(nèi)業(yè)拼接時間。標靶掃描方法和特征點方法的拼接次數(shù)與測站數(shù)成正比，每一次拼接過程都要進行標靶選擇的重復操作，耗時比較長。如果在拼接過程中操作不當則會對拼接結果有直接影響。全站儀模式在導線相關信息設置后，可以一次性對所有點云數(shù)據(jù)進行拼接，而且拼接時不容易出錯，拼接方法比較簡單，大大減少了內(nèi)業(yè)處理的工作量。

(3)點云數(shù)據(jù)拼接精度方面

特征點方法的點云拼接精度較差；全站儀模式方法和標靶掃描方法的點云拼接精度基本相當且拼接精度都很高，可以滿足精密點云拼接工程的需要。

三、全站儀模式導線平面精度試驗研究

1.試驗方案設計

依據(jù)全站儀光電導線布設方案與試驗場地范圍情況，本試驗設計導線閉合環(huán)邊數(shù)依次為3、4、5、6、7邊，每種邊數(shù)的導線閉合環(huán)的邊長依次分別為30 m、60 m、90 m左右，共進行15組閉合環(huán)的掃描觀測。利用Cyclone軟件進行點云數(shù)據(jù)拼接，在導線圖上獲取邊長和角度信息，并利用傳統(tǒng)導線平差方法計算導線全長相對閉合差。

2.點云數(shù)據(jù)獲取

(1)場地選擇

本次試驗對場地要求比較高，場地選擇時需要對場地通視、外界影響等多方面因素進行考慮，要求比較開闊、通視條件很好、且人流量較少。

(2)試驗儀器準備

本次試驗所需包括徠卡C10三維激光掃描儀、配套三腳架、兩個普通三腳架、卷尺、電源線、皮尺、球形標靶。

(3)控制點布設

在試驗場地的合適位置選擇一個起點，此點作為第1個控制點。按照每次試驗的閉合導線的邊長和邊數(shù)，用皮尺按照一定的方向量出需要的邊長作為第1條邊的邊長，此邊的終點即為第2個控制點。以第1條邊的方向和兩邊之間的夾角確定第2條邊的方向，然后用皮尺量出第2條邊的邊長，第2條邊的終點即為第3個控制點，依次確定出每一個控制點的位置，并用記號筆在地面上作出標記。本次研究共進行15組試驗，控制點盡量選擇在比較開闊且利于儀器架設的地方，每組試驗中在控制點布設完成后即可開始掃描工作。

(4)數(shù)據(jù)獲取

在第一個控制點架設掃描儀，在第1個控制點前后的兩個控制點上分別架設一個標靶，儀器和標靶都對中整平完成后開始標靶掃描。本次所進行的試驗中不對目標物進行掃描只掃描標靶，掃描時先對后視標靶進行掃描以定向，后視標靶掃描完成后對前視標靶進行掃描，掃描完成后則本站的掃描任務完成，將儀器搬遷至下一個控制點，同時將標靶搬遷至儀器所在控制點的前后兩個相鄰的控制點上進行本測站掃描任務。按照每一測站的掃描步驟一次完成每一測站的掃描任務。按照每一個閉合導線的測量流程完成本次試驗共15個閉合導線的掃描觀測。

3.導線精度分析

試驗完成以后，用U盤將儀器中的數(shù)據(jù)導出，然后將試驗數(shù)據(jù)導入Cyclone軟件中，對每組試驗數(shù)據(jù)進行點云拼接，得到每組數(shù)據(jù)的導線圖。用傳統(tǒng)閉合導線平差方法計算出每組閉合導線全長相對閉合差，并對其進行匯總列入表2中。

表2 導線全長相對閉合差

通過表2可知：

1)相同邊長不同邊數(shù)的閉合導線全長相對閉合差沒有明顯的差異。

2)相同邊數(shù)不同邊長的閉合導線全長相對閉合差隨邊長增加而變小，精度變高。

3)全站儀模式導線的平面精度與閉合導線的邊數(shù)沒有直接關系，其精度與邊長有關，邊長越長精度越高。

四、結 論

地面三維激光掃描儀全站儀模式獲取點云數(shù)據(jù)方法外業(yè)操作方法簡單，兩次不連續(xù)工程銜接精度高。點云數(shù)據(jù)拼接精度與常用的標靶掃描方法相當，能夠滿足項目精度的要求，且該方法可以一次性對所有點云數(shù)據(jù)進行拼接，而且拼接時不容易出錯，拼接方法比較簡單。全站儀模式獲取點云數(shù)據(jù)方法可以應用于各種大型掃描任務和掃描目標相對復雜的工程中，可以提高外業(yè)的掃描效率，也能夠減少內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理時間。

[1] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[2] 張凱.三維激光掃描數(shù)據(jù)的空間配準研究[D].南京：南京師范大學，2008.

[3] 劉春，陳華云，吳杭彬，等.激光三維遙感的數(shù)據(jù)處理與特征提取[M].北京：科學出版社，2009：21-23.

[4] 丁延輝.地面三維激光數(shù)據(jù)配準研究[J].測繪通報，2009(2)：57-59.

[5] 周華偉.地面三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理與模型構建[D].昆明：昆明理工大學，2011.

[6] 朱凌.地面三維激光掃描標靶研究[J].激光雜志，2008，29(1)：33-35.

[7] BESL P J，MCKAY N D.A Method for Registration of 3-D Shapes[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1992，14(2)：239-256.

[8] 張成國.逆向工程中數(shù)據(jù)拼接與精簡技術研究[D].青島：中國海洋大學，2005.

[9] 蔡潤彬，潘國榮.三維激光掃描多視點云拼接新方法[J].同濟大學學報：自然科學版，2006，34(7)：913-918.

[10] ROTH G.Registering Two Overlapping Range Images [C]∥Proceedings of the Second International Conference on Recent Advances in 3-D Digital Imaging and Modeling(3DIM'99).Ottawa：[s.n.]，1999：191-200.

The Method of Getting 3D Laser Scanning Point Cloud Data in Total Station Mode

ZHANG Zhijuan，TIAN Jicheng，GE Luyong，XIE Hongquan，XUE Yong

P234.5

B

0494-0911(2014)09-0087-03

2014-07-16

張志娟(1976—)，女，天津人，工程師，主要研究方向為城市測繪及地籍測量。引文格式:張志娟，田繼成，葛魯勇，等.全站儀模式獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法研究[J].測繪通報，2014(9)：87-89.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0302