汪曉慧，吳曉培

(浙江省測繪大隊，浙江 杭州 310030)

隨著科學(xué)技術(shù)、計算機技術(shù)的快速發(fā)展，測繪科學(xué)技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于三維建模、變形監(jiān)測等領(lǐng)域[1-2]。傳統(tǒng)的三維激光掃描技術(shù)存在點云數(shù)據(jù)量大、點云拼接過于繁瑣等問題，計算機技術(shù)的發(fā)展，為點云大數(shù)據(jù)處理提供了平臺，新型點云自動拼接三維激光掃描儀的出現(xiàn)，解決了點云拼接問題，使得三維激光掃描儀能快速應(yīng)用于測繪領(lǐng)域[3-6]。三維激光掃描技術(shù)被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，其能快速獲得原始的測繪數(shù)據(jù)，并完整、高精度地重建實體,地面三維激光掃描將傳統(tǒng)的點測量發(fā)展為面測量，可以高效率、高質(zhì)量、低成本地獲取海量的空間數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)測量目標的特征信息[7-8]。

本文采用徠卡RTC360三維激光掃描儀快速獲取工程實例的三維激光點云數(shù)據(jù)，原始點云經(jīng)智能拼接處理生成點云模型并繪制竣工圖，經(jīng)過驗證比對，精度符合規(guī)范要求，充分顯示了徠卡RTC360三維激光掃描儀的技術(shù)優(yōu)勢。

1 設(shè)備簡介

1.1 儀器結(jié)構(gòu)組成

儀器由三維激光掃描頭、3個HDR相機和內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)3個部分組成，還配置了工作時架放儀器的三腳架和方便查看數(shù)據(jù)的平板電腦，腳架每邊分為四節(jié)，可根據(jù)高度需求自由縮放；外業(yè)數(shù)據(jù)采集時可通過平板電腦實時查看數(shù)據(jù)和作業(yè)時間。

1.2 核心技術(shù)

RTC360三維激光掃描儀融合了徠卡三大核心先進技術(shù)：TruRTC實景復(fù)制技術(shù)、VIS視覺追蹤技術(shù)、SmartReg智能拼接技術(shù)，使RTC360三維激光掃描儀與徠卡FIELD 360外業(yè)操控軟件、REGISTER 360智能拼接軟件完美結(jié)合，設(shè)備輕便，操作簡單，是一套集智能、簡單、高效、極速于一體的三維激光掃描儀。

(1)TruRTC實景復(fù)制技術(shù)：RTC360內(nèi)置3個相機，單鏡頭時可達1200萬像素，全景照片時可達4.32億像素，成像質(zhì)量高，現(xiàn)場細節(jié)更加逼真，HDR全景照片采集時間僅需1 min，不受環(huán)境光源影像，滿足了不同場景的照片采集。

(2)VIS視覺追蹤技術(shù)：VIS通過5個內(nèi)置相機和IMU實時計算出連續(xù)兩個站的相對位置，供精準的點云拼接，整個過程中無需標靶，無需公共點，無需人工干預(yù)，全自動操作，實現(xiàn)智能化拼接，簡單高效。

(3)SmartReg智能拼接技術(shù)：Field360 App現(xiàn)場實時預(yù)拼點云數(shù)據(jù)，提高點云拼接速度與精度；Register360一鍵導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)，全自動化拼接，簡化內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程，工作更高效。

1.3 主要性能

RTC360掃描儀具有全方位視角掃描、速度快、精度高的特點，擁有3600×3000的掃描視場角，130 m的有效范圍，掃描速率高達2 000 000點/s，最高點位精度達到1.9 mm，HDR相機單鏡頭時達到3600萬像素，具有一塊電池達到4 h的超長蓄電能力，視覺追蹤技術(shù)實時跟蹤計算前一站的相對位置，保證了點云的自動拼接功能。

2 作業(yè)流程

采用RTC360三維激光掃描儀進行竣工測量主要是以內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔的作業(yè)模式，其作業(yè)過程包括外業(yè)實地點云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)測圖3大部分，如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集分為前期路線規(guī)劃、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和采集數(shù)據(jù)檢查3個步驟。前期通過對測區(qū)周邊地形情況的了解，初步規(guī)劃好架設(shè)站點位置；根據(jù)規(guī)劃好的路線和實際現(xiàn)場情況逐站進行掃描，掃描過程中根據(jù)項目要求設(shè)置好相應(yīng)的采集參數(shù)，在掃描過程中點的密度分為高、中和低3個等級，可根據(jù)項目要求和掃面對象的復(fù)雜程度自主選擇，每站掃描完成直接搬站，無需對中整平等煩瑣步驟；每站數(shù)據(jù)采集完成可通過外業(yè)操控平板電腦對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行檢查，數(shù)據(jù)采集完成可對整條采集路線數(shù)據(jù)進行檢查。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

點云處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云拼接、控制點導(dǎo)入、點云去噪和數(shù)據(jù)輸出5部分，點云數(shù)據(jù)處理是在Cyclone軟件中進行的，軟件數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)庫的方式進行處理的；點云的拼接是通過一定的約束條件將多站點掃描數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一坐標系中的過程，拼接完成之后將得到一個項目的完整點云，通過旋轉(zhuǎn)和平移的方法對有重合的兩站點云進行拼接，主要有基于標靶的拼接和基于點云視圖的拼接兩種方法；點云拼接完成且拼接誤差合格后加入控制點得到絕對坐標，然后通過相應(yīng)的去噪功能進行點云去噪，分為整體去噪和局部去噪兩種方式，軟件點云輸出包括LAS、RCP和E57等多種格式。

2.3 模型精度檢查及點云模型測圖

對生成的點云模型中均勻分布的地物點對模型精度進行檢查，模型精度合格方能進行點云模型測圖。點云模型測圖主要是在CloudWorx for AutoCAD軟件進行的，軟件通過讀取Cyclone軟件服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，在AutoCAD繪圖軟件中支持海量的掃描點云數(shù)據(jù)，AutoCAD軟件強大的繪圖功能與精確的點云數(shù)據(jù)相結(jié)合，可繪制各種線畫圖，并提取物體的各特征要素，同時還可以兼容南方CASS繪圖軟件，直接繪制地物并添加屬性。

2.4 外業(yè)精度檢查

竣工圖測繪完成后通過野外進行調(diào)繪對遮擋和錯誤表示的要素進行補測修改,圖面整飾完成后從圖中抽取均勻分布的主要地物點進行精度檢查。

3 項目應(yīng)用

3.1 試驗測區(qū)概括

試驗項目位于浙江省臺州市椒江區(qū)某地的拆遷安置房，整個試驗測區(qū)面積約0.05 km2，如圖2所示。由于是剛建好的拆遷安置房，測區(qū)主要以房屋和道路為主，植被主要是低矮的綠化，基本沒有高大的樹木，因此存在的遮擋情況較小，比較適合利用三維激光掃描儀進行點云建模。

3.2 數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集共架設(shè)了62站，采用低密度的掃描方式，分別架設(shè)在分岔路口和房屋之間有空隙的區(qū)域，在保證能全方位無死角的掃描到測區(qū)每個區(qū)域的情況下，盡量減少數(shù)據(jù)冗余。以圓形標靶的形式測繪了10個控制點，每個控制點分別以不同的時段測量了兩次，每次測量不超過兩個測回，每個測回平面誤差不差過2 cm，高程誤差不超過3 cm，以保證控制點的精度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

采集的點云導(dǎo)入Cyclone軟件中進行處理，由于RTC掃描儀具有自動拼接功能，因此采用基于點云視圖的方法進行拼接，由平面視圖和高程視圖兩部分組成，部分拼接視圖如圖3和圖4所示。拼接過程中連續(xù)的相鄰兩站一般不需要人工干預(yù)，只要通過對其進行檢查對局部沒有拼接到位的細微區(qū)域進行精細化調(diào)整，由于VIS視覺追蹤技術(shù)實時計算相鄰兩站有一定的時間限制，針對相隔時間較久的相鄰兩站需要進行人工拼接。從圖5整個試驗區(qū)域的拼接報告中可以看出，最大的拼接誤差為24 mm，最小的為10 mm，符合拼接要求，即可生成點云模型，通過在模型上添加標靶控制點，導(dǎo)入坐標信息進行絕對定向，得到相應(yīng)坐標系的點云模型。如圖6所示。

3.4 基于點云模型的竣工圖測繪

(1)立面圖：在CloudWorx for AutoCAD軟件中通過坐標轉(zhuǎn)換后的點云立面切片，根據(jù)點云紋理繪制立面圖，如圖7所示。在每部分繪制過程中，通過點云刷新系統(tǒng)會根據(jù)電腦配置顯示相應(yīng)密度的點云，對于點云模糊不清的區(qū)域，可根據(jù)高清全景照片查看模糊細節(jié)。繪制完畢后關(guān)閉點云數(shù)據(jù)，即可獲得立面圖，如圖8所示。

(2)竣工地形圖：繪制房屋、電桿等立體地物時，在CloudWorx for AutoCAD軟件中以高程視角找到相應(yīng)高度的位置和厚度進行切片剪裁，切換到平面視角進行繪制。在點云切片面可根據(jù)地物特征進行矢量數(shù)據(jù)采集，可直接調(diào)用南方CASS作圖軟件中的相應(yīng)地物進行繪制，通過點云刷新，系統(tǒng)會根據(jù)電腦配置顯示相應(yīng)密度的點云，對于點云模糊不清的區(qū)域，可根據(jù)高清全景照片查看模糊細節(jié)。每一個切片對應(yīng)的地物繪制完畢后，可在剪切管理器中將切片刪除，再重新根據(jù)繪制地物對象剪切相應(yīng)的切片。全部數(shù)據(jù)采集完成后直接將點云數(shù)據(jù)關(guān)閉，即可獲得相應(yīng)的矢量地形圖。

3.5 成果精度評定

為了檢驗點云模型測量立面圖和矢量地形圖的精度，采用鋼卷尺量測了一些窗戶和門的寬度和高度，并用TS02全站儀均勻測量了棱角分明的特征點，主要是精度要求較高的房角點，以實地量測的坐標作為點云模型測量地形圖的檢查點。通過式(1)計算檢查點和模型上采集數(shù)據(jù)的平面中誤差和高程中誤差，驗證基于點云模型矢量化地形圖的精度[9]。

(1)

3.5.1 立面精度分析

立面測繪精度主要以測區(qū)西北面幾幢房屋的立面測繪圖作為依據(jù)，測繪了每幢房屋4個面的立面效果圖，外業(yè)分別測量了窗戶、門和墻體的寬和高進行對比，另外還測量了一些明顯的地物加入相對寬度的對比，并生成相對誤差精度分布圖，如表1、圖9所示。

表1 立面相對精度統(tǒng)計 m

通過表1可知，中誤差為0.015 m,其中最大誤差為0.029 m，最小誤差為0。通過圖9可知，相對精度誤差主要分布在-0.01～0.02 m之間，符合立面精度要求。

3.5.2 矢量地形圖精度分析

為了檢測在點云模型上矢量化的地形圖的精度，以臺州市某個拆遷安置房掃描的點云模型作為檢測對象，實地測量了72個平面檢查點，12個高程檢查點，對點云矢量測圖精度進行檢測，如表2、圖10所示。

表2 矢量地形圖平面精度統(tǒng)計 m

從表2中可知，單個點位誤差最大為0.056 m，最小為0.006 m，點位中誤差為0.028 m。從圖10中可知，單個點位誤差大于0.05 m的有2個，超出限差范圍率為3%，平面精度基本分布在0～0.03 m之間，符合1∶500地形圖的平面精度要求。

表3 高程精度統(tǒng)計 m

可計算出高程中誤差為0.016 m，從表3可得，最大高程誤差為0.027 m，最小為0.002 m；從圖11可知，高程誤差基本分布在-0.01～0.02 m之間，沒有超過精度誤差要求，完全符合1∶500地形圖高程精度要求。

4 結(jié) 語

徠卡RTC360三維激光掃描儀精度相對較高，操作簡單方便，自動拼接點云功能，高清的全景照片。在本次的立面和竣工地形圖的測繪試驗中，立面相對誤差0.015 m，完全符合立面測繪的精度要求；矢量地形圖的平面中誤差0.028 m，高程中誤差0.016 m，符合竣工測繪要求。在試驗過程中也存在一些問題，掃描過程中每個角落、每個拐角都要進行搬站掃描，不適用大面積的地形測繪；掃描的有效距離為130 m，也限制了應(yīng)用于一些高樓的點云掃描，只能適用于一些中低樓的掃描；在掃描過程中存在頂部為掃描的盲區(qū)，因此在建立的點云模型中頂部沒有點云，完整的點云模型還需要后期無人機等設(shè)備的補充。在測繪地理信息行業(yè)的應(yīng)用中，RTC360掃描儀適用于低層樓的高精度立面測繪、小面積的竣工測繪、紋理復(fù)雜的三維建模和復(fù)雜管線的三維建模等高精度且復(fù)雜的三維建模，為無信號的隱蔽空間提供了建立三維模型的可能，為智慧城市提供了地面和地下三維模型的完整性。