金婷，羅峰

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新技術(shù)，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術(shù)手段[1]。同傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)不需要合作目標(biāo)，可以自動(dòng)、連續(xù)、快速的采集數(shù)據(jù)，擁有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2，3]：①數(shù)據(jù)獲取速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；②數(shù)據(jù)量大，精度較高；③主動(dòng)性強(qiáng)，能全天候工作；④全數(shù)字特征，信息傳輸、加工、表達(dá)容易。

本文結(jié)合三維激光掃描的基本工作原理，采用Focus 3D X330地面三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)廣州市正佳海洋世界生物館有限公司海洋館的主缸亞克力板橫向長(zhǎng)度、縱向弧長(zhǎng)等內(nèi)容進(jìn)行綜合測(cè)量。同時(shí)采用全站儀測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證，可見三維激光掃描測(cè)量結(jié)果精確可靠，為海洋館主缸亞克力板申報(bào)世界吉尼斯紀(jì)錄提供了直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2 海洋館主缸介紹

廣州市正佳極地海洋世界坐落于天河區(qū)正佳廣場(chǎng)西側(cè)二、三層，總建筑面積超 58 000 m2，擁有共500種超30 000只極地海洋動(dòng)物，是目前為止全球首座室內(nèi)空中極地海洋館。展區(qū)中有一塊長(zhǎng)約 40 m亞克力的單體水族展示缸，業(yè)主為了精確獲取亞克力主缸的各項(xiàng)尺寸，進(jìn)而申報(bào)世界吉尼斯紀(jì)錄，需要獲取亞克力板的精確尺寸結(jié)果。

3 研究方法

亞克力板的弧長(zhǎng)由外露部分和入地端兩部分組成，其中入地部分采用激光測(cè)距儀測(cè)量和鋼尺丈量?jī)煞N方法進(jìn)行測(cè)量，外露部分采用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量[5]。

地面三維激光測(cè)量系統(tǒng)亞克力綜合測(cè)量工作過(guò)程分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。在具體工作展開之前，首先根據(jù)掃描對(duì)象的不同和精度的具體要求設(shè)計(jì)一條合適的掃描路線、確定恰當(dāng)?shù)牟蓸用芏?、大致確定掃描儀至掃描物體的距離、設(shè)站數(shù)、大致的設(shè)站位置等。外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)分析采集到的數(shù)據(jù)是否大致符合要求、進(jìn)行初步的質(zhì)量分析和控制等。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括外業(yè)采集到的激光掃描原始數(shù)據(jù)的顯示，數(shù)據(jù)的規(guī)則格網(wǎng)化，數(shù)據(jù)濾波、分類、分割，數(shù)據(jù)的壓縮，圖像處理，模式識(shí)別等。

為了精確、可靠地獲取巨型亞克力板的關(guān)鍵尺寸，同時(shí)為在復(fù)雜的觀測(cè)環(huán)境的情況下，減少了接觸性測(cè)量，降低了作業(yè)危險(xiǎn)。項(xiàng)目主要采用地面三維激光掃描儀對(duì)亞克力板綜合掃描測(cè)量，輔以全站儀測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。

項(xiàng)目的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 測(cè)量流程圖

4 三維激光掃描測(cè)量方法

首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于掃描現(xiàn)場(chǎng)視角及目標(biāo)構(gòu)筑物(折射及散射激光點(diǎn)云等)特性，為達(dá)到數(shù)據(jù)精度及掃描密度要求[10]，在清理干凈的表面平鋪一層反射紙，選取板內(nèi)側(cè)地面四個(gè)掃描站點(diǎn)、通道頂一個(gè)掃描站點(diǎn)，板外側(cè)一個(gè)掃描站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于要建立亞克力板的精密三維模型，每站采用了較高的采樣密度，采樣間隔設(shè)置為10米處 4 mm。采樣間隔大小與掃描速度和數(shù)據(jù)量有直接關(guān)系。由于分站掃描，每站數(shù)據(jù)主要由掃描目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、拼接用的目標(biāo)特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)、掃描范圍的數(shù)碼相片等數(shù)據(jù)組成。根據(jù)站內(nèi)公共目標(biāo)標(biāo)志特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)，把多站數(shù)據(jù)進(jìn)行工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，如圖2～圖4所示。

圖2 單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)(去噪后)

第二步進(jìn)行空間建模。由于地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)采集得到的數(shù)據(jù)是由全離散的矢量距離點(diǎn)構(gòu)成的“點(diǎn)云(Points Cloud)”，它的每一個(gè)像素所包含的是一個(gè)距離值和一個(gè)角度值，這種圖像稱為距離圖像。距離圖像本身蘊(yùn)涵豐富的特征信息，可以直接構(gòu)建高精度的DEM，但又沒(méi)有任何明顯的形體信息和拓?fù)潢P(guān)系信息，不能直觀表達(dá)，必須用點(diǎn)、多邊形、曲線、曲面等形式將立體模型描述出來(lái)，構(gòu)成模型。這里原始采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)三角格網(wǎng)進(jìn)行組織和表達(dá)，事實(shí)上，由于采樣間隔非常小，所以數(shù)據(jù)量非常大，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可采用濾波和壓縮方法獲得簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析將大大提高處理速度。

第三步進(jìn)行空間量測(cè)。根據(jù)采集獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立構(gòu)筑物的三維模型，該模型具有完整的三維空間信息，因此，可以基于此進(jìn)行嚴(yán)密的空間量測(cè)，建立全息三維資料檔案，利于日后的全景恢復(fù)和模擬。本次亞克力板橫向長(zhǎng)度測(cè)量利用掃描的亞克力板點(diǎn)云數(shù)據(jù)橫向切割，形成特征點(diǎn)線，直接量測(cè)得出結(jié)果為 40.809 m?？v向三角剖分獲得縱向弧長(zhǎng)為 7.658 m，利用激光測(cè)距儀和鋼尺多次測(cè)量取平均數(shù)的方法獲得亞克力板入地端長(zhǎng)度為 0.543 m，最終縱向總弧長(zhǎng)為 8.201 m，整體亞克力板表面積為橫向長(zhǎng)度乘積縱向總弧長(zhǎng)為 334.674 m2，如圖5～圖6所示。

圖5 亞克力板橫向長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果圖

圖6 亞克力板縱向弧長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果圖

5 全站儀綜合測(cè)量驗(yàn)證

利用全站儀作為輔助手段對(duì)地面三維激光掃描儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。采用的全站儀為日本生產(chǎn)的TOPCON(拓普康)OS 102。儀器精度：測(cè)角精度：2″；測(cè)距精度：(2+2ppm×D)mm。

首先建立坐標(biāo)系統(tǒng)，獲取亞克力板的特征點(diǎn)坐標(biāo)：選取亞克力板與地面臺(tái)階相交的最左點(diǎn)為坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)；以平行于亞克力板的橫向方向指向右側(cè)的軸為X軸；以垂直于亞克力板的橫向方向并豎直向上的軸為Z軸；以垂直于X軸和z軸所在平面并與x軸順時(shí)針?lè)较虺?0°夾角的方向?yàn)閥軸。

第二步進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。測(cè)量主缸亞克力板橫向長(zhǎng)度步驟：固定全站儀垂直度盤，以亞克力板的一端盡頭為起點(diǎn)，另一端盡頭為終點(diǎn)，由跑尺員使用棱鏡放置在特征點(diǎn)處開始采集數(shù)據(jù)，調(diào)整全站儀的水平度盤，沿一條直線均勻間隔采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄保存；測(cè)量主缸亞克力板縱向弧長(zhǎng)步驟：沿在亞克力板事先鋪設(shè)好的反射紙由頂端向底端縱向采集附帶高程的數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄保存。

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，在測(cè)量過(guò)程中，對(duì)全站儀測(cè)距長(zhǎng)度進(jìn)行了改正[8](根據(jù)廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院對(duì)本次測(cè)量所使用儀器的檢定結(jié)果，測(cè)距加常數(shù)為K=0.9 mm，乘常數(shù)為R=-1.3 mm/km)，改正量計(jì)算公式為：

△=K+R×S

式中：△為改正量，單位：m

K為測(cè)距加常數(shù)

R為測(cè)距乘常數(shù)

S為全站儀測(cè)距長(zhǎng)度，單位：m

第三步進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。采用導(dǎo)線計(jì)算軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，獲取亞克力板的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，然后把坐標(biāo)導(dǎo)入到AutoCAD制圖軟件，采用最小二乘法對(duì)亞克力板的橫向長(zhǎng)度和縱向弧長(zhǎng)進(jìn)行了擬合。測(cè)得亞克力板的長(zhǎng)度為 40.802 m(如圖7所示)。

圖7 AUTOCAD制圖軟件計(jì)算亞克力板長(zhǎng)度

外業(yè)對(duì)亞克力板的4個(gè)弧段進(jìn)行了測(cè)量(如圖8所示)，分別計(jì)算的結(jié)果為：7.650 m、 7.682 m、 7.698 m和 7.650 m，取平均值為 7.67 m。加上亞克力板入地端長(zhǎng)度為 0.543 m，亞克力板的弧段總長(zhǎng)為 8.213 m。

圖8 AUTOCAD制圖軟件計(jì)算亞克力板弧段

6 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本文采取地面三維激光掃描儀測(cè)量結(jié)果，全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行佐證，表1為兩種測(cè)量手段測(cè)量結(jié)果及比較情況。

亞克力板測(cè)量結(jié)果評(píng)定表 表1

亞克力板弧長(zhǎng)與橫向長(zhǎng)度相乘，得出以上兩種方法測(cè)量出的亞克力板面積分別為 334.674 m2和 335.107 m2，相差 0.433 m2。

7 結(jié) 語(yǔ)

兩種方法測(cè)量結(jié)果相差在厘米級(jí)別，結(jié)果比較吻合。由于全站儀測(cè)量測(cè)量點(diǎn)離散，通過(guò)坐標(biāo)擬合存在模型誤差，而地面三維激光掃描儀具有點(diǎn)云數(shù)據(jù)豐富、能真實(shí)反映被測(cè)物體、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。綜上可得出結(jié)論：利用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量海洋館主缸亞克力板，結(jié)果可靠、準(zhǔn)確。

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