黃雪

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司）

1 三維激光掃描技術(shù)基本原理

1.1 基本原理

3D激光掃描技術(shù)，即“實景復(fù)制”技術(shù)。其原理為：通過脈沖測距法取得距離值s，精密時鐘同時控制編碼器測量每個激光光束的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ[1]，并對掃描點的反射強度I進行記錄，然后利用內(nèi)置數(shù)碼相機實現(xiàn)圖像實體信息的獲取，從而獲得掃描點的顏色信息(R、G、B)，前三種數(shù)據(jù)利用計算公式(1)。

對掃描點P(X、Y、Z)的三維坐標值進行計算。在后續(xù)處理點云數(shù)據(jù)期間，掃描點的反射強度和顏色信息則被用于提供實體邊緣位置信息和顏色紋理信息等。坐標系為系統(tǒng)內(nèi)部坐標系統(tǒng)。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)垂直于X軸，Z軸垂直于橫向掃描面構(gòu)成右手坐標系[2]。

1.2 基本流程

基于3D激光掃描技術(shù)的建筑立面掃描工作流程（見圖1）：

3D激光掃描系統(tǒng)能夠通過對目標對象執(zhí)行3D激光掃描[3]，并且能夠滲透到人類難以觸及的現(xiàn)實環(huán)境與空間中，并在計算機中直接呈現(xiàn)獲取的三維數(shù)據(jù)。3D激光掃描系統(tǒng)輸出點云數(shù)據(jù)，并且在計算機中預(yù)處理點云數(shù)據(jù)，接著進行實體表面模型的重建，并且以該模型為依托完成后續(xù)處理工作。

2 工程實例

2.1 工程概況

測區(qū)位于城市市中心繁華地帶、高樓林立、行人絡(luò)繹不絕，道路車流量大、車速快，綠化樹木高大茂密。

工作內(nèi)容為對道路兩側(cè)建筑立面，兩側(cè)建筑臺階平面、高程進行測量工作，獲得建筑立面數(shù)據(jù)、建筑臺階平面位置及坐標、標高等成果數(shù)據(jù)，為其后期城市建設(shè)與規(guī)劃、街道整治、日照分析等提供詳細的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

圖1 基于3D激光掃描的作業(yè)流程圖

2.2 測站布設(shè)

使用三維激光掃描儀進行測量時，請確保選定的工作站覆蓋完整測量區(qū)域，尤其是對建筑物的側(cè)面、邊角以及房頂?shù)母采w。由于測站之間的建筑點云密度可能存在不足[2]，因此應(yīng)當確保該范圍擁有足夠的重疊，為數(shù)據(jù)處理時進行選擇同名點配準提供方便，配準后測站范圍邊緣處稀疏的點云可以通過相鄰測站的點云來補償，當點云重疊度達到足夠密度的情況下，則能夠進行自動精確配準。布設(shè)測站時，還需要綜合考慮儀器本身性能，工作人員必須是熟悉掃描操作的技術(shù)人員[3]。

該項目使用Riegl VZ-400三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集，該掃描儀的輻射最大半徑為600m。因為測量區(qū)域大,需要采集的數(shù)據(jù)量多，針對建筑立面進行圖形繪制,數(shù)據(jù)采集點間距擬控制在2～5mm范圍之內(nèi),測站間距擬控制在10～20m范圍之間，根據(jù)掃描現(xiàn)場地形、地勢、以及通行通視情況進場測站布設(shè)。

2.3 掃描作業(yè)

使用三維激光掃描儀掃描作業(yè)時，主要有兩種操作方式。①使用計算機控制激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)，優(yōu)勢在于能夠根據(jù)測量區(qū)域設(shè)定單站掃描起止角度，作業(yè)準備時應(yīng)該明確儀器零角度方向，完成掃描后能夠直接觀察計算機中的掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量；②使用儀器進行360°全景掃描直接獲取數(shù)據(jù)，并且在掃描過程中必須注意測站編碼。雖然該方式無法監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是節(jié)約人工成本。

該項目使用方法①進行作業(yè)，既方便檢查計算機中呈現(xiàn)的掃描數(shù)據(jù)，又便于監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量，而且測量精度必須符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求[1]。數(shù)據(jù)獲取完成后，查找出數(shù)據(jù)不完整和缺失位置，并對缺失的部分實施補充測量[2]。并且應(yīng)該根據(jù)作業(yè)地點的實際情況，為提高工作效率及數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，最大程度減少人為因數(shù)的干擾，選擇在人流車流較少的時段進行。

2.4 數(shù)據(jù)處理及配準

由于目標建筑物的全貌無法由一站掃描點云圖完整獲得，因此不同掃描站獲得的點云分別存在于各自的局部坐標系中，需要將每個局部坐標系配準到一個統(tǒng)一的坐標系中。該項目使用RieGL公司的軟件RiscanPro進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和配準。在預(yù)處理數(shù)據(jù)之后，需要在測站之間進行配準，首先需要初始配準，通常有以下兩種方法：

①當同名點特征明顯時可以選擇同名特征點的方法用于配準，并按照相關(guān)規(guī)定控制選取同名點的數(shù)量，即大于等于四點；

②未配準站可以運用人工交互式移動測站的方式，移動至已配準站的相應(yīng)位置。

初始配準是將n個局部坐標系的點云粗略對應(yīng)到一個相同的坐標系，精度較低；還需進一步提高配準精度，故引入二次精確配準，即迭代最鄰近點ICP自動精配。

根據(jù)實際情況，項目選擇第一種配準方法；選擇兩站四對同名點，并根據(jù)匹配點對的幾何特征，計算剛體變換矩陣，從而完成初始配準[2]。配準過程中，控制站間誤差小于3mm，站間誤差最小值為0.3mm，完全達到線劃圖描繪的使用要求[3]。配準完成之后，原始數(shù)據(jù)將被統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至.imp數(shù)據(jù)庫中[3]。

另外，在配準完成形成點云模型之后，坐標系是掃描儀測站的自定義坐標系，但是它不滿足建筑立面線劃圖的繪制要求。因此，在繪圖之前，需要根據(jù)主體建筑進行轉(zhuǎn)換，存儲方式為建筑坐標系。

2.5 立面圖測制

使用Geomagic軟件進行點云預(yù)處理，不必要的噪點和地物數(shù)據(jù)需在制作過程中刪除，有效保留重要的目標面點云數(shù)據(jù)。

1)立體模式特征點提取。該方法要求操作者在計算機中以立體觀測模式選取點、面，然后進行三維測量，并測量提取的特征點，使用AutoCAD軟件編輯成果圖；由于基于立體觀測模式中數(shù)據(jù)量較多，以及觀測視角和主觀判斷影響了測標切準目標對象點的正確性，導(dǎo)致操作者需要反復(fù)確認觀測變換的視角，從而降低了工作效率。

2)平面投影描圖模式。該方法有效改善了使方法①中的缺點，即立體測量操作者需要反復(fù)確認觀測變換的視角，導(dǎo)致效率低下；運用自主研發(fā)軟件中的投影功能，對點云數(shù)據(jù)進行主平面投影，并且每次鎖定單一平面進行編輯，然后對立體點云中非當前對象上的噪點和干擾點進行排除、刪除，并將投影后獲取的對象點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD，在平面上進行矢量化描繪；有效簡化了立體觀測，工作效率顯著提升。

3)外業(yè)調(diào)繪、修補測。對于大面積缺失，使用激光掃描儀進行補充測量；對于小面積缺失，通常使用諸如：鋼卷尺、測距儀、全站儀等傳統(tǒng)測量工具進行補充測量。根據(jù)現(xiàn)場草圖調(diào)繪、修補測數(shù)據(jù)，在AutoCAD中繪制成果圖。

本工程根據(jù)建筑坐標系下的點云數(shù)據(jù)，與平面投影描影像相結(jié)合，使用AutoCAD制定比例并制作線劃圖（見圖2）。

圖2 建筑物輪廓線圖

3 結(jié)語

3D激光掃描技術(shù)是迅速發(fā)展并興起的全自動高精度立體測量技術(shù)，有效補充了傳統(tǒng)測量方法；并且能夠無接觸、重疊度高、準確度高、獲取數(shù)據(jù)迅速而詳細，作業(yè)流程得到簡化，作業(yè)形式得到優(yōu)化，而成果內(nèi)容更加多元；隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷革新與完善，使其能夠推廣和應(yīng)用于更多測繪及其他領(lǐng)域[3]。