郭志金 劉林佳 吳昊

摘要：三維激光掃描技術(shù)又稱實景復制技術(shù)，是無合作目標的自動化快速測量系統(tǒng)。在險工護岸監(jiān)測中，高密度測量技術(shù)和非接觸測量手段大幅提高了特定區(qū)域測量的成果精度和工作效率[1]。通過實例對三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點云密度和精度進行分析，闡述其在險工護岸監(jiān)測工作中的可行性;通過配準處理后的點云數(shù)據(jù)完成高精度數(shù)字地面模型的建立，可為科學決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描：險工護岸;護岸監(jiān)測;數(shù)字地面模型

中圖法分類號：TV861

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.004

1 三維激光掃描儀測量原理

三維激光掃描儀主要由測距系統(tǒng)、測角系統(tǒng)以及其他輔助功能系統(tǒng)構(gòu)成，通過激光掃測快速、準確獲取物體三維坐標、反射強度（Intensity）及紋理信息等。

測量原理是掃描得到測站點到待測物體表面任一目標點的距離S，并獲得測量瞬間激光脈沖的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，進而得到激光角點在物體表面的基于三維激光掃描儀的內(nèi)部坐標系統(tǒng)三維坐標值。具體見圖1，獲取的坐標計算公式見式（1）。

x=Scos θcosa

y=Scosθsina

（1）

z=Ssinθ

以上解算的是內(nèi)部坐標系統(tǒng)坐標。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，還需將其轉(zhuǎn)換到測站坐標系。三維激光掃描儀提供了設(shè)置測站工作流和自由設(shè)站工作流兩種解決方案。設(shè)站模式下掃描坐標即為測站坐標系下的坐標;自由設(shè)站模式需通過配準實現(xiàn)掃描坐標向測站坐標的轉(zhuǎn)換[1-2]，一般采用布爾莎七參數(shù)法。

2 測量誤差分析及質(zhì)量控制

三維激光掃描儀獲取的點云誤差包括數(shù)據(jù)采集階段的誤差及數(shù)據(jù)處理階段的誤差。數(shù)據(jù)采集階段的誤差組成包括儀器誤差、目標反射面有關(guān)的誤差以及外界環(huán)境誤差;數(shù)據(jù)處理階段誤差主要是配準誤差[3]。

2.1 儀器誤差

圓形發(fā)射的激光束到達物體表面形成的光斑大小隨掃描距離的增加而線性增大。定位的不確定性是指激光回射信號不一定位于光斑中心，其極限誤差即為光斑半徑r。

2.2 目標表面因素

激光測距依賴于來自被測目標反射的激光，反射信號的強度一般均受目標反射特性的影響，且直接影響測量精度。物體反射特性的差異會導致一定的系統(tǒng)性偏差。物體反射特性受材質(zhì)、表面傾斜度和粗糙度、色彩等影響。如果表面過于光滑和明亮會產(chǎn)生鏡面反射，反射信號過強而造成較大的測量誤差。

（1）反射面傾斜對點云密度的影響。點云密度可視需求選擇掃描儀不同的工作模式，差別在于激光束間夾角的大小。此外，點云獲取的密度還與激光束入射角和距離有關(guān)系，反射面對點云密度的影響見圖2。

理論密度計算公式如下

d=S sina/sinβ

（2）式中，α為激光束間的夾角，β為激光束的入射角，S為目標距離。

（2）反射面傾斜對測量精度的影響。反射面傾斜對測量精度的影響主要表現(xiàn)在激光束打到傾斜面上光斑會擴散成橢圓，此時因光斑大小導致的極限誤差即為橢圓的長半軸半徑，其大小為r/cosβ。

2.3 點云配準因素分析

設(shè)置測站工作流直接獲取測站坐標系統(tǒng)下的點云成果，無需配準。自由設(shè)站工作流的配準方法有自動配準和手動配準，下面以險工護岸監(jiān)測汛后測次yx3→yx2→yxl測段3站的數(shù)據(jù)進行精度統(tǒng)計比較。

自動配準是以公共面進行匹配，系統(tǒng)自動提取特征點對計算;自動配準需選擇參考站和自由站，只能以某站為參考逐站配準，導致累積誤差越來越大。當自動配準不通過時，必須采用手動配準再次進行配準。自動配準精度統(tǒng)計見表1。

由表1可見，逐站配準后，鄰站較差無明顯差異。但逐站配準因為缺少約束條件，精度逐步降低，誤差累積效應(yīng)明顯。

手動配準是手工提取特征點對進行計算，當特征點為已知點時，即實現(xiàn)各自由站坐標系統(tǒng)的獨立轉(zhuǎn)換，避免了誤差累積。手動配準精度統(tǒng)計見表2。

由表2可見，各測站手動配準后精度分布更均勻，較自動配準整體精度更高。這是因為自動配準是基于面提取特征點對，而險工護岸監(jiān)測區(qū)域有別于工業(yè)廠房等測區(qū)，鮮有大面積規(guī)則立面，且試驗未對房屋等進行多測站、多角度掃描。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

3.1 點云密度檢查

受險工護岸測區(qū)自然條件限制，激光入射角普遍較小，點云密度不均衡。掃描儀與原地面高差在1～8m;測區(qū)50 m范圍外，隨著距離的增加，地形起伏引起的入射角變化范圍逐步減小。同時隨著距離的增加，植被對掃測空白區(qū)的影響逐步增大。采用標準模式（對應(yīng)波束間夾角103”）掃測時，對應(yīng)點云密度見表3。

由表3可見，作業(yè)中需嚴格控制掃測距離，外業(yè)中應(yīng)仔細檢查各測站邊緣區(qū)域覆蓋情況。

3.2 特征點精度檢查

統(tǒng)計險工護岸試驗區(qū)域內(nèi)所有特征點和靶標點的三維激光掃描儀采集坐標與傳統(tǒng)測量方式采集坐標的差值[4]，計算平面位置中誤差和高程中誤差。共選取了63個點進行了平面和高程較差統(tǒng)計（見表4-5）。

計算得到平面位置中誤差為0.042 m，高程中誤差為0.045 m。依據(jù)SL257-2017《水道觀測規(guī)范》[5]對專用地形圖的精度要求，平面位置允許中誤差為圖上0.5 mm，高程允許中誤差為0.15 m，險工護岸監(jiān)測測圖比例尺一般不大于1：500，則平面位置允許中誤差不小于0.25 m。由此可見，掃測精度滿足測圖需求。

3.3 點云整體精度檢查

根據(jù)常規(guī)測量手段形成的地形圖構(gòu)建DEM，與激光掃描儀獲取的點云構(gòu)建的DEM求差，即可得點云整體精度。

圖3中灰色區(qū)域即為密集高植被區(qū)域，掃測數(shù)據(jù)集中在高植被表面，DEM求差值（見圖4）即為植被高，故該區(qū)域掃測數(shù)據(jù)不可用，本試驗采用RTK補測原地面。

4 結(jié)論與建議

三維激光掃描儀在險工護岸監(jiān)測中應(yīng)用研究的試驗結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求，但為了保證該測量技術(shù)施測結(jié)果的高精度，進行影像掃測系統(tǒng)施測陸上地形時應(yīng)選擇植被覆蓋稀少區(qū)域[6]。

通過以上論述和實驗數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論。

（1）在山坡陡崖、崩岸險情等監(jiān)測方面，良好的觀測條件加上無接觸式測量使得影像掃測系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。

（2）影像掃測系統(tǒng)的觀測精度較高，滿足大比例尺測圖的要求，但植被區(qū)域因無法獲取原地面，精度較低。

（3）受地形條件限制，不可避免地出現(xiàn)掃描死角，同時點云密度分布不均。

對后續(xù)三維激光掃描儀的應(yīng)用提出如下建議。

（1）測量區(qū)域應(yīng)選擇植被覆蓋稀疏的區(qū)域進行。

（2）在點云編輯方面，重點考慮點云分類提取能力和手工編輯能力。宜選取或開發(fā)一個點云子區(qū)編輯模塊，提高編輯精準度，同時在此模塊中實現(xiàn)對點云高程編輯功能，這樣就能較為精準地解決密集低矮植被區(qū)域點云向原地面的調(diào)整。

（3）應(yīng)充分考慮后處理軟件在制圖方面的便利性和高效性。

參考文獻：

[1]梅文勝，周艷芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細地形測繪[J].測繪通報，2010（1）：53-56.

[2]周建紅，馬耀昌，劉世振，等.水陸地形三維一體化測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].人民長江，2017，48（24）：61-62.

[3]汪仁銀，李開偉，陳銳，等.三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用[J].測繪通報，2018（12）：159-162.

[4]史波，鄭敏，基于三維控制場的三維激光掃描儀點位精度評定[J].人民長江，2017，46（3）：27-30.

[5]SL 257-2017永道觀測規(guī)范[S].

[6]李志鵬，張辛，喻守剛，等，基于三維激光掃描的大比例尺地形測繪方法研究[J".人民長江，2014，45（7）：70-73.