李 超

(濟(jì)南旌圖信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南250101)

一、引 言

從1995年Cyrax推出世界上第一臺(tái)三維激光掃描儀的原型產(chǎn)品開始，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)走過了十幾年的歷程;它是繼GPS之后，測(cè)繪行業(yè)在技術(shù)上的又一次飛躍。在十幾年的發(fā)展歷程中，三維激光掃描技術(shù)無(wú)論是在硬件設(shè)施上，還是在應(yīng)用領(lǐng)域上，都在快速不斷的向前發(fā)展;如今，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段。基于地面的三維掃描系統(tǒng)目前正引起廣泛的關(guān)注，它是三維激光掃描發(fā)展的一個(gè)重要方向。該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等各個(gè)領(lǐng)域也有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索［1］。

傳統(tǒng)的測(cè)量方式是單點(diǎn)測(cè)量，獲取單點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，而三維激光掃描測(cè)量技術(shù)不需要合作目標(biāo)，即不需要棱鏡，可以自動(dòng)、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物體表面的密集的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，也稱作點(diǎn)云。由于點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量非常巨大，因此由傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量跨越到了面測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了由量變到質(zhì)變的飛躍。同時(shí)，獲取的信息也從單純的點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到目標(biāo)物的紋理信息和色彩信息。三維激光掃描技術(shù)的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在:①數(shù)據(jù)獲取的速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng);②數(shù)據(jù)獲取全面，精度高;③全天候作業(yè)，不受光線的影響，主動(dòng)性強(qiáng);④ 數(shù)據(jù)表達(dá)清楚明了，表達(dá)簡(jiǎn)單［2］。

二、三維激光掃描儀簡(jiǎn)介

1.三維激光掃描儀的組成

三維激光掃描儀的配置主要包括:一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀、一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。部分儀器具有內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)，可以直接獲得目標(biāo)物的影像。通過傳動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)物體的全方位掃描，從而獲取目標(biāo)表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

激光測(cè)距儀主要由激光發(fā)射器、接受器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微電腦組成。激光測(cè)距主要基于兩種測(cè)量原理:脈沖測(cè)時(shí)測(cè)距和激光相位差測(cè)距。脈沖式測(cè)時(shí)測(cè)距也叫基于飛行時(shí)間的測(cè)距，是根據(jù)脈沖激光從發(fā)射到接收的時(shí)間差和光速來(lái)測(cè)距的。相位式測(cè)距則是通過測(cè)定激光在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲而間接測(cè)定傳播時(shí)間，從而求得待測(cè)距離。無(wú)論是脈沖式還是相位式，三維激光掃描儀的硬件主要的度量指標(biāo)有速度、角度、長(zhǎng)度、精度和穩(wěn)定度［3］。

2.脈沖式三維激光掃描儀工作原理

脈沖式三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測(cè)量的方法，以點(diǎn)云形式表現(xiàn)目標(biāo)物體表面的幾何特征。脈沖式測(cè)距主要包括以下4個(gè)過程:激光發(fā)射器周期地驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)射激光脈沖，同時(shí)接收由目標(biāo)物表面返回的反射信號(hào)，利用穩(wěn)定的石英鐘對(duì)發(fā)射與接收時(shí)間差作計(jì)數(shù)，利用微電腦計(jì)算儀器和掃描點(diǎn)間的距離。儀器自身發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭中心，鏡頭通過快速而有序地旋轉(zhuǎn)將激光依次掃過被測(cè)區(qū)域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，內(nèi)部微電腦通過計(jì)算光束的飛行時(shí)間從而計(jì)算出激光光斑與掃描儀兩者之間的距離;與此同時(shí)，儀器通過內(nèi)置角度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)量測(cè)每一激光束的水平角與豎直角，進(jìn)而獲得每一個(gè)掃描點(diǎn)在掃描儀所定義坐標(biāo)系內(nèi)的X、Y、Z坐標(biāo)值。三維激光掃描儀在記錄激光點(diǎn)三維坐標(biāo)的同時(shí)也會(huì)將激光點(diǎn)位置處物體的反射強(qiáng)度值記錄，并稱之為“反射率”。脈沖式三維激光測(cè)量原理示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖式三維激光測(cè)量原理示意圖［4］

三、實(shí)例分析

1.研究背景

本次實(shí)例研究是以HDS8800三維激光掃描儀為工具，對(duì)長(zhǎng)江口某需要水下施工的棧橋進(jìn)行掃描。利用掃描數(shù)據(jù)，確定施工范圍內(nèi)傾斜柱型橋墩水下48 m處中心點(diǎn)的坐標(biāo)，為水下新設(shè)備安裝碰撞檢測(cè)分析提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)利用I-SITE STUDIO和Cyclone兩款軟件進(jìn)行處理。首先對(duì)橋墩數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、拼接、整理，然后進(jìn)行擬合、計(jì)算，得到最終的成果數(shù)據(jù)，解決了常規(guī)測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)或很難實(shí)現(xiàn)的測(cè)量難題。

2.測(cè)量過程

(1)掃描前的準(zhǔn)備工作

實(shí)地查看棧橋橋墩的分布，根據(jù)周圍環(huán)境找到架站最合適的設(shè)站位置進(jìn)行標(biāo)記。位置的選取以掃描到最多橋墩數(shù)據(jù)為目標(biāo)。根據(jù)實(shí)地情況，最后選定在棧橋兩端分別設(shè)置一個(gè)測(cè)站，兩站能夠通視。利用GPS對(duì)兩個(gè)測(cè)站坐標(biāo)進(jìn)行定位測(cè)量，并進(jìn)行差值改正，得到準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)值。

(2)掃描過程

按照常規(guī)測(cè)量作業(yè)方法分別在兩個(gè)測(cè)站上架設(shè)掃描儀，對(duì)中整平完成后，將測(cè)站坐標(biāo)和后視點(diǎn)坐標(biāo)輸入操作手簿，調(diào)整進(jìn)行后視定向，定向完成進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)獲取，根據(jù)數(shù)據(jù)檢查定向是否準(zhǔn)確。確認(rèn)定向準(zhǔn)確后，根據(jù)手簿數(shù)據(jù)框選棧橋需要掃描的區(qū)域進(jìn)行掃描。掃描完成后查看掃描點(diǎn)云，如果遠(yuǎn)處的橋墩數(shù)據(jù)少則進(jìn)行局部精掃描。

根據(jù)上述流程，本次共掃描獲取了兩站數(shù)據(jù)。掃描數(shù)據(jù)獲取完整，并已經(jīng)轉(zhuǎn)換到實(shí)地坐標(biāo)系統(tǒng)。單站掃描需要時(shí)間在10 min左右。點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(3)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

兩站數(shù)據(jù)掃描完成后，利用全站儀免棱鏡模式對(duì)棧橋蓋梁的特征角點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量記錄，利用這些數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精度驗(yàn)證。

3.數(shù)據(jù)處理

要建立一個(gè)目標(biāo)物的數(shù)字模型，必須經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理操作。三維激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為兩個(gè)步驟:掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和模型建立［5］。

(1)掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理——點(diǎn)云精度驗(yàn)證

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)從操作手簿中導(dǎo)出并導(dǎo)入I-SITE STUDIO軟件中進(jìn)行三維瀏覽，同時(shí)將全站儀測(cè)量的棧橋蓋梁特征角點(diǎn)作為獨(dú)立的驗(yàn)證數(shù)據(jù)導(dǎo)入比對(duì)。

(2)數(shù)據(jù)處理

比對(duì)糾正完成后，將不需要的大量外部點(diǎn)云刪除，以減少計(jì)算的工作量，同時(shí)消除多余點(diǎn)云對(duì)計(jì)算結(jié)算的影響。這一前期的數(shù)據(jù)處理稱之為去噪。最后分別將單站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Cyclone可以識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)scan1、scan2。以scan1處理過程為例，步驟如下:

1)墩柱的擬合和中心線的提取。利用Cyclone中的Model模塊，對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)墩樁點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算擬合，得到墩樁的三維實(shí)體表面模型。此三維表面模型是采用實(shí)體對(duì)客觀物體進(jìn)行描述的一種方法。通過定義基本體素，利用體素的集合運(yùn)算或基本變形操作構(gòu)造所需要的實(shí)體。利用這種方法可以完整地、清楚地對(duì)物體進(jìn)行描述，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可見邊的判斷。實(shí)體模型可以完整地描述物體的所有幾何信息［6］。軟件擬合中采用最小二乘法，由于擬合是基于大量的點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算，因此精度非常高。

墩柱擬合完成后，決定其中心線的兩個(gè)端點(diǎn)在軟件中可以捕捉到后，選中圓柱兩端點(diǎn)創(chuàng)建一條線段即為墩樁的中心線。依照上述方法，分別對(duì)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的所有墩柱進(jìn)行擬合提取，得到所有墩柱的中心線，如圖3所示。

圖3 墩柱的擬合和中心線提取

2)提取每根柱子蓋梁以下斜長(zhǎng)48 m處的中心點(diǎn)坐標(biāo)。因?yàn)槊扛釉O(shè)計(jì)傾斜角度相同，根據(jù)其中一根找到這個(gè)角度，計(jì)算其48 m處在豎直方向上的Z值，在Z值處設(shè)置一個(gè)參考面，將所有柱子延長(zhǎng)至此參考面即可得到所有柱子在48 m處中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

利用Cyclone中的Survey模塊得出柱子的傾斜角度約為9.3°，根據(jù)此角度計(jì)算傾斜距離48 m處的Z值約為-42.050 m，以此值為基準(zhǔn)作水平參考面，將所有的中心線延長(zhǎng)至參考面，測(cè)量每根中心線的長(zhǎng)度。至此得到了所需要的48 m處中心點(diǎn)坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 延長(zhǎng)墩樁的測(cè)量結(jié)果

3)對(duì)所有柱子的中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。按照上述過程和方法，對(duì)第二站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。進(jìn)行兩次測(cè)量的目的就是使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確并可以對(duì)比檢測(cè)。利用上述兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將超過誤差范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次計(jì)算，從而得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果;而在誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)可以求其平均值作為最終的處理成果。本次掃描最終的處理成果見表1。

表1 蓋梁下48 m處墩柱中心點(diǎn)坐標(biāo) m

四、結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描作為一種新興測(cè)量手段，正在逐步改變傳統(tǒng)的測(cè)量方法，因儀器本身的性能及其點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息量大等得到用戶認(rèn)可的同時(shí)，越來(lái)越多具有前瞻性的測(cè)量人員正試圖用它尋求更加快捷、方便的方法。本文利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)圓柱形傾斜墩樁進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和建模，從而提取出特殊位置的數(shù)據(jù)信息，解決了傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的問題。數(shù)據(jù)成果經(jīng)過檢驗(yàn)，符合最終成果的要求。

［1］李濱.徠卡三維激光掃描系統(tǒng)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008(6):72-73.

［2］DINESH M，RYOSUKE S.Auto-extraction of Urban Features from Vehicle-borne Laser Data［C］∥Symposium on Geospatial Theory Processing and Application.Ottawa:［s.n.］，2002.

［3］李濱，李躍明，宋濟(jì)宇.地面三維激光掃描系統(tǒng)中的“五度”研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012(3):43-45.

［4］趙陽(yáng)，余新曉，信忠寶，等.地面三維激光掃描技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用與展望［J］.世界林業(yè)研究，2010(4):40-45.

［5］張會(huì)霞，陳宜金，劉國(guó)波.基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究［J］.測(cè)繪工程，2010(1):33-34

［6］鄭德華.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的理論與方法［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2005.