韓文泉，胡伍生，陳 昕，王孟和

(1. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210009； 2. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

地下空間激光掃描點云精度對比分析

韓文泉1，2，胡伍生1，陳 昕2，王孟和2

(1. 東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210009； 2. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

利用4種激光掃描設(shè)備對地下空間掃描，針對獲得的點云數(shù)據(jù)，用全站儀測量研究區(qū)內(nèi)特征點三維坐標(biāo)，統(tǒng)一點云空間參考；并從點云數(shù)據(jù)中獲取特征點坐標(biāo)，與測量的三維坐標(biāo)對比分析。結(jié)果顯示：推掃式激光掃描設(shè)備比架站式精度略低，最弱方向中誤差為0.128 m，而架站式為0.039 m；用推掃式激光掃描設(shè)備對地下空間進(jìn)行測量，能滿足1∶500數(shù)字線劃圖的測量精度要求。

地下空間；激光掃描；點云；精度對比

隨著人類工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快、城市化水平的提高、城市人口的迅速增長，現(xiàn)代大城市，特別是城市中心區(qū)域都不可避免地出現(xiàn)了城市化進(jìn)程快速推進(jìn)與有限土地資源之間的矛盾，地面土地資源并不能最大限度地滿足城市發(fā)展的需求[1]。地下空間的開發(fā)利用已成為人類生活空間的新拓展，地下空間開發(fā)利用和管理越來越重要[2]。為了配合地下空間的開發(fā)和利用，許多城市已經(jīng)開展了地下空間的普查、測繪和建立地理信息數(shù)據(jù)庫的工作[3]。例如，上海已經(jīng)查明，截至2011年底，全市具有一定規(guī)模的地下工程共3.1萬多個，總建筑面積約5699萬m2[4]。南京市由人防、規(guī)劃、測繪等多部門參與，于2015年開始指定地下空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和開展試驗工作。常州市武進(jìn)城區(qū)地下空間數(shù)據(jù)測繪項目主要采用全野外數(shù)字化法進(jìn)行成圖，主要包括地下建(構(gòu))筑物的測繪定位、屬性調(diào)查，以及地下建(構(gòu))筑物的數(shù)字化與數(shù)據(jù)入庫等工作[2]。

開展地下空間普查等工作，通常采用3種測量技術(shù)[5]：①全站儀測量技術(shù)，控制測量、聯(lián)系測量及碎部測量；②激光測量技術(shù)，主要對地下空間掃描；③竣工圖紙技術(shù)，是成本最低的方法。胡俊等對地下空間地籍調(diào)查方法進(jìn)行了探討[6]；劉海飛等探討了地下空間中測繪技術(shù)[7]；而陳勇等研究了三維激光掃描技術(shù)在地下空間設(shè)施普查測量中的應(yīng)用[8]。相比較而言，激光測量技術(shù)最為先進(jìn)，但也最不成熟。李永強(qiáng)等研發(fā)了地下空間移動激光測量系統(tǒng)[9]；馬志等研究了地下空間掃描多站拼接及標(biāo)定技術(shù)[10]，以及儲備激光掃描在地下空間的應(yīng)用技術(shù)。特別是移動式掃描(SLAM)設(shè)備的推出，比傳統(tǒng)架站式掃描更快，精度狀況卻說法不一。本文針對這一問題，對新興的激光掃描技術(shù)手段進(jìn)行測試，比較分析獲得數(shù)據(jù)采用的方法、設(shè)備等有關(guān)精度的技術(shù)指標(biāo)在南京市地下空間普查活動中的適宜性。

王玉鵬等用室內(nèi)標(biāo)定場對地面三維激光掃描點位精度進(jìn)行了評定，認(rèn)為在實際測量環(huán)境下ScanStation2型掃描儀的點位精度在距離為40 m時為±4.7 mm，符合廠家給出的±6 mm/50 m的精度指標(biāo)；在距離為80 m時為±6.3 mm，這也符合大部分建筑物建模的精度要求[11]。齊建偉等研究了三維激光掃描測量系統(tǒng)對標(biāo)靶的重復(fù)掃描測量精度，認(rèn)為其內(nèi)符合精度優(yōu)于1 mm[12]。王俊杰通過試驗證明，Trimble GX 三維激光掃描儀在200 m的距離點位最大誤差可以達(dá)到17.9 mm[13]。丁建勛等用FaroFocus3D 掃描儀精細(xì)化掃描了墻面的靶標(biāo)，靶標(biāo)的掃描坐標(biāo)成果與全站儀實測坐標(biāo)相比，最大相差2.6 mm，最小相差0.3 mm[14]。綜合以上研究，不同設(shè)備采用不同的方法，獲得的結(jié)論不同。因此，在地下空間測繪中大面積采用激光掃描的方法之前，有必要對不同激光掃描方式獲得的激光點數(shù)據(jù)精度作進(jìn)一步分析，對使用激光掃描方式進(jìn)行地下空間信息采集具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)為南京市測勘院地下部分停車場的三維空間，占地面積約為1417 m2，最長邊約69 m，最大凈高4 m多，呈多邊形立體分布。地下停車場包括出入口、場內(nèi)設(shè)備設(shè)施、標(biāo)線等。平面頂視圖如圖1(a)所示。其中，邊線為地下停車場范圍線，左下部分與其他部分相連，左上側(cè)為出入口；黑色圓點為測量的控制點位和特征點。

圖1

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 控制測量

2.1.1 地下控制測量

控制測量按如下原則：通過聯(lián)系測量傳遞到地下的坐標(biāo)、方位、高程作為地下控制測量的起算數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)叵驴刂茰y量的精度要求高于地面控制測量時，可只使用一個傳遞點的坐標(biāo)、一個定向邊方位值和一個點的高程值，其他傳遞的數(shù)據(jù)不參與平差計算。地下平面控制測量宜采用全站儀導(dǎo)線測量方法進(jìn)行。導(dǎo)線測量精度等級分為四等、一級、二級、三級和圖根級。四等、一級、二級、三級導(dǎo)線測量的主要技術(shù)及觀測要求應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，圖根級導(dǎo)線測量的技術(shù)要求應(yīng)符合參考文獻(xiàn)[15]的規(guī)定。

本研究采用閉合導(dǎo)線加支導(dǎo)線的方式進(jìn)行圖根控制點的測量，在測區(qū)布設(shè)了3個閉合導(dǎo)線點和1個支導(dǎo)線點。每個測量控制點精度要求為：①平面位置中誤差不得大于3 cm；②高程中誤差不得大于5 cm；③凈空高測量中誤差不得大于3 cm。地面上平面控制點相對于起算點的點位中誤差不應(yīng)大于2 cm，地面高程控制點相對于起算點的高程中誤差不應(yīng)大于2 cm。

2.1.2 特征元素測量

2.1.2.1 特征點

在停車場出入口、墻面上、地面上、場內(nèi)頂面上布設(shè)特征點，要求布設(shè)標(biāo)靶或采集明顯特征點，并測量其坐標(biāo)。如圖2所示。

圖2 特征點測量

2.1.2.2 特征線

在停車場出入坡道上、墻面上、地面上、場內(nèi)頂面上布特征線，可以使用已經(jīng)布設(shè)的特征點的連線，要求兩點構(gòu)成直線，或者采用已有的明顯標(biāo)志，并且測量各節(jié)點坐標(biāo)。

2.2 布設(shè)標(biāo)志

在掃描儀作業(yè)之前，在車庫里面墻上布設(shè)用A4紙打印的黑白標(biāo)靶，樣式如圖2(b)所示。標(biāo)靶高度距地面約1.800 m。標(biāo)志主要分布在車庫四周的墻上和中間的支柱上，呈均勻分布，其中一部分用來作為控制點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，另一部分作為檢查點測量成果精度。

布標(biāo)的另一個作用是連接測站之間的激光點，若架設(shè)測站位置不適合用平面標(biāo)靶，在數(shù)據(jù)采集時使用臨時可移動的三維標(biāo)靶，連接測站之間的激光點。

2.3 激光掃描

對停車場整個空間進(jìn)行掃描和拍照，包括與地上的連接部分。根據(jù)控制測量成果，獲取實地空間位置的三維點云和影像。由于地下空間比較暗，照片基本不能直接使用。本次研究采用的掃描設(shè)備有4種：徠卡架站式P20、徠卡背包、Z+F架站式5010C、華泰天宇的iMS3DⅠ代推車。其中，P20架設(shè)6站，共獲得47 058 413個激光點；Z+F 5010C架設(shè)13站，共獲得117 305 250個激光點；徠卡背包使用了慣導(dǎo)設(shè)備，共獲得11 265 550個激光點；iMS3D只掃描了車庫平的部分，獲得32 031 289個激光點。獲得的點云分布如圖3所示。為了顯示清楚，點云經(jīng)過了抽稀，由于Ⅰ代設(shè)備不帶慣導(dǎo)，在入口處沒有采集數(shù)據(jù)。

圖3 掃描點云分布

3 成果精度對比

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

架站式激光掃描儀和不帶慣導(dǎo)的激光掃描推車，采集的成果為任意坐標(biāo)系下坐標(biāo)；而徠卡背包設(shè)備在地下空間掃描之前需要接收衛(wèi)星信號，獲得的是WGS-84坐標(biāo)，在成果比較之前，需要轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。本次研究利用同一坐標(biāo)成果的同一組控制點轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)，最終的坐標(biāo)系統(tǒng)采用南京92地方坐標(biāo)系、吳淞高程。激光點云成果利用這些控制點，采用四參數(shù)，轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)，再利用控制點擬合高程值到吳淞高程。具體采用的方法為：①對于架站式激光掃描儀，首先利用硬件自帶的軟件，拼接所有站點云數(shù)據(jù)為一整體；再根據(jù)控制點，用數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)；最后根據(jù)明顯高程點轉(zhuǎn)換高程基準(zhǔn)到吳淞高程。②對于推車式激光掃描儀，首先利用硬件自帶的軟件，解算激光點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)；再根據(jù)控制點，用數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)；最后根據(jù)明顯高程點轉(zhuǎn)換高程基準(zhǔn)到吳淞高程。③對于有POS系統(tǒng)的掃描設(shè)備，首先利用硬件自帶的軟件，解算掃描軌跡線和點云數(shù)據(jù)WGS-84下的坐標(biāo)；利用WGS-84與南京92坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使用專用程序直接把WGS-84下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為南京92坐標(biāo)和吳淞高程。

3.2 成果精度對比分析

3.2.1 獲得點云特征點

在TerraSolid軟件的前視圖中，用強(qiáng)度信息渲染獲得的激光點數(shù)據(jù)，可以獲得標(biāo)靶的圖像。若沒有提供強(qiáng)度信息，則用RGB顏色渲染。具體圖像如圖4所示。架站式激光掃描儀可以獲得比較清楚的人工標(biāo)靶圖像，特別是Z+F激光掃描儀可以清晰辨認(rèn)標(biāo)靶的標(biāo)號數(shù)字；而徠卡背包能夠基本獲得標(biāo)靶的圖像，可以確定標(biāo)靶中心的坐標(biāo)。

另外，盡量獲得測量的建筑特征要素特征點處的點云坐標(biāo)。對于密度較大(400+點/m2)的激光掃描，可以直接捕捉特征點處的坐標(biāo)；對于密度較小的激光掃描，采用擬合線特征相交的方法獲得特征點處的坐標(biāo)。若以上兩種方法還不能獲得特征點的點云坐標(biāo)，則放棄這樣的點。

3.2.2 特征點坐標(biāo)對比分析

使用全站儀一共測量了74個地物或標(biāo)靶的特征點，主要分布在車庫四周墻上、頂面橫梁與墻的交角、支撐立柱的側(cè)面或棱角處，以及頂面通風(fēng)口的拐角等特征點處。由于各掃描設(shè)備架站或行走的路徑不同，有些點受汽車的遮擋，不能獲得有效的特征點位坐標(biāo)。對于墻上人工布標(biāo)點，有些掃描不能獲得可判讀的信息，也會失去部分特征點坐標(biāo)的提取。特征點坐標(biāo)是根據(jù)掃描的點云對掃描點處或附近(小于1 mm)直接提取點本身的坐標(biāo)，對于特征點附近沒有激光點而通過點云渲染圖可以識別特征點的情況，采用特征相交法獲得點云坐標(biāo)。具體特征點坐標(biāo)對比結(jié)果見表1。

3.2.2.1 特征點數(shù)量

以徠卡P20設(shè)備對比的36個特征點為基準(zhǔn)，Z+F 5010C由于有一個點被汽車擋住，沒有掃描到。而徠卡背包和iMS3DⅠ主要是因為掃描點云在特征點處非常稀少或根本就沒有點，不能描述特征點的坐標(biāo)，使得徠卡背包只有29個點，iMS3DⅠ只有24個點。這也說明對于特征點的精細(xì)識別，iMS3DⅠ最弱，徠卡背包稍好一些。

3.2.2.2 坐標(biāo)殘差均值

坐標(biāo)殘差均值能夠反映殘差中是否還有系統(tǒng)誤差存在，判斷標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的原理和性能不同而定。從對比結(jié)果看，徠卡背包具有參加比較設(shè)備最大的殘差平均值+0.042 m(X方向)，由于該設(shè)備是使用POS系統(tǒng)獲得的測量坐標(biāo)，因此筆者認(rèn)為這樣的殘差值在合理的范圍之內(nèi)，不屬于系統(tǒng)差。而參加比較的其他設(shè)備，幾乎都在0.020 m之內(nèi)，屬于合理的范圍。

3.2.2.3 中誤差

中誤差反映了測量點與期望真值的偏離程度。本次研究除了徠卡背包使用POS系統(tǒng)直接獲得激光點云坐標(biāo)之外，其他的3種設(shè)備都用測量的控制點進(jìn)行的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。而徠卡背包獲得的坐標(biāo)成果，也使用了同樣的控制點進(jìn)行系統(tǒng)差消除處理。因此，可以認(rèn)為4種設(shè)備使用了同一技術(shù)規(guī)則進(jìn)行對坐標(biāo)真值的解算，是可以比較中誤差的。從對比的結(jié)果來看，徠卡背包的高程方向最弱，為0.128 m。iMS3DⅠ的X方向最弱，為0.115 m。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，滿足1∶500數(shù)字線劃圖精度要求。

3.2.3 線段長度對比

用激光點特征點計算的線段長度與實際測量的長度比較，可以分析使用激光掃描采集數(shù)據(jù)的長度變形情況。根據(jù)掃描的車庫形狀，抽取出4橫4縱共8條線段比較分析，具體情況見表2。

表2 線段長度對比表

表2顯示了激光點云獲得的線段長度與全站儀測量的長度對比結(jié)果：徠卡背包絕對較差最大，為0.155 m；Z+F 5010C絕對較差最小，為0.051 m；而對于相對較差而言，iMS3DⅠ最大，為0.73%；Z+F 5010C最小，為0.24%。

3.3 對比結(jié)果分析

無論是特征點坐標(biāo)還是線段長度的精度對比結(jié)果，靜態(tài)的激光掃描(Z+F 5010C、徠卡P20)比動態(tài)的激光掃描(iMS3DⅠ、徠卡背包)精度高。結(jié)果說明，基于激光掃面的特征點位置精度受激光點的掃描方式、密度等因素的影響，靜態(tài)掃描精度高于動態(tài)掃面精度，但都能滿足地下空間三維地理信息獲取的需求。

4 結(jié) 語

本研究主要比較分析了4種激光掃描儀對同一目標(biāo)掃描點云數(shù)據(jù)的精度。結(jié)果表明，可以用推掃式激光掃描設(shè)備采集地下空間位置，雖然精度比架站式低，但掃描效率高。本次掃描區(qū)域不大，可以嘗試更大、更復(fù)雜的空間范圍，將有利于深入比較各種設(shè)備性能，研究激光掃描地下空間的工藝流程。

致謝：特別感謝對本次研究提供設(shè)備支持的南京航空航天大學(xué)、徠卡公司(武漢)、上海華測公司、北京華泰天宇公司。

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AnalysisonthePrecisionofLaserScanningPointCloudinUndergroundSpace

HAN Wenquan1,2，HU Wusheng1，CHEN Xin2，WANG Menghe2

(1. School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210009,China；2. Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co. Ltd.，Nanjing 210019，China)

The point cloud data of underground space were acquired with four kinds of laser scanning devices，and three-dimensional coordinates of the feature points in the area were measured with the total station. All data used unified spatial reference. The three-dimensional coordinates of feature points were obtained from the point cloud data separately. The analysis of two measurements showed that the accuracy of position using mobile scanning device was slightly lower than using static one，the mean square error was 0.128 m in the weakest direction，on the contrast the static was 0.039 m.The measurement precision of 1∶500 DLG can be obtained by the mobile laser scanning device in the underground space.

underground space; laser scanning; point cloud; precision comparison

2017-03-20

國家自然科學(xué)基金(41574022)；江蘇省科技支撐工業(yè)計劃(BE2014026)；江蘇省測繪地理信息科研項目(JSCHKY201606)

韓文泉(1974—)，男，博士，高工，主要從事三維地理信息和激光掃描數(shù)據(jù)處理工作。E-mail：lidar_hwq@163.com

韓文泉，胡伍生，陳昕，等.地下空間激光掃描點云精度對比分析[J].測繪通報，2017(12)：72-76.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0382.

P237

A

0494-0911(2017)12-0072-05