張照杰，張宏波，李 娜

（1.正元地理信息集團(tuán)股份有限公司，浙江 德清 313200）

城市地下空間是數(shù)字孿生城市的重要組成部分，其空間位置和內(nèi)部建筑設(shè)施布置等站點(diǎn)信息已成為城市管理部門建立地下空間地理信息系統(tǒng)必須要掌握的重要內(nèi)容之一，典型的地下空間包括地下商業(yè)街、地下停車場(chǎng)、人防工程、地鐵站等。在對(duì)地下空間的建筑物三維建模過程中，由于缺少現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的二維竣工圖作為參考，且地下空間要素眾多，地下空間三維建模將比地上更加難以開展。

隨著現(xiàn)代高精度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)逐步應(yīng)用于地下空間測(cè)繪領(lǐng)域，三維激光掃描儀[1-4]可以在復(fù)雜的地下空間環(huán)境中進(jìn)行掃描作業(yè)，采用非接觸測(cè)量精確地獲取被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)，該技術(shù)應(yīng)用于城市地下空間的三維建模中具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)原理和全站儀測(cè)距測(cè)角的原理類似，主要不同點(diǎn)在于三維激光掃描采用非接觸方式，通過發(fā)射高速激光束高精度掃描測(cè)量物體表面，同時(shí)記錄大量的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速獲得空間點(diǎn)位三維信息，具有采集高精度、高分辨率、速度快、非接觸式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以特定坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)的，通常稱為掃描坐標(biāo)系，定義為坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處，X軸為儀器的橫向掃描面水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸的零方向，Z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi)天頂方向，Y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)，與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)原理

圖1中α為三維激光掃描儀測(cè)量到的水平角；θ為掃描儀測(cè)量到的豎直角；S為坐標(biāo)原點(diǎn)到掃描點(diǎn)的距離，那么掃描點(diǎn)的坐標(biāo)（X,Y,Z）為：

1.2 利用三維激光掃描技術(shù)開展城市地下空間三維建模的優(yōu)勢(shì)

城市地下空間一般是由獨(dú)立的單體建筑構(gòu)成，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通視條件差、光照不足等特點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方式可以完成城市地下空間的測(cè)量，但存在很多難以解決的實(shí)際問題，如控制網(wǎng)布設(shè)相對(duì)困難、工作效率低、易發(fā)生漏測(cè)、測(cè)錯(cuò)的情況、工作流程復(fù)雜等。

三維激光掃描技術(shù)是新型高精尖測(cè)繪技術(shù)，采用主動(dòng)發(fā)射激光測(cè)量的方式，通過無接觸式激光掃描可快速、高分辨率地獲取地下空間場(chǎng)景中有效范圍內(nèi)建筑物表面的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅能探測(cè)到地下空間的每個(gè)角落，而且能對(duì)地下空間內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達(dá)詳盡，有效避免了漏測(cè)、測(cè)錯(cuò)現(xiàn)象。另外，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，不受光照條件的影響，克服了地下空間光照不足的困難，因此，三維激光掃描技術(shù)在地下空間測(cè)繪中相較于傳統(tǒng)測(cè)量方法，有無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程位于浙江省杭州市解放東路2號(hào)杭州洲際酒店，工作范圍包括該酒店負(fù)二層地下停車場(chǎng)A、B、C、D區(qū)。地下空間總面積約為45 167 m2，共有2個(gè)出入口。

本文利用三維激光掃描儀Faro FOCUS 3D 120對(duì)杭州洲際酒店負(fù)二層地下停車場(chǎng)進(jìn)行掃描作業(yè)，獲取目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用法如激光掃描儀自帶軟件Faro Scene來實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云的拼接，點(diǎn)云除噪，坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換等工作，然后再基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片，利用Geomagic Studio專業(yè)編輯軟件進(jìn)行三維網(wǎng)格模型的構(gòu)建，并在Faro scene軟件中，應(yīng)用配準(zhǔn)功能，通過不少于5對(duì)的網(wǎng)格模型和照片相應(yīng)的配準(zhǔn)點(diǎn)，將照片映射到模型上去，生成彩色的三維模型。最后利用3ds Max2017軟件將真彩色的三維模型轉(zhuǎn)換成GIS平臺(tái)需要的格式。三維激光掃描儀工作流程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀工作流程

2.2 實(shí)施過程

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集使用的三維激光掃描儀為Faro FOCUS 3D 120，該儀器的激光模式是相位式，可掃描最大距離約為153m，掃描精度為±2m，具有垂直305°、水平360°的視野范圍。該儀器具有極高的掃描速率，最大掃描速度為976 000點(diǎn)/S，每站的掃描測(cè)量時(shí)間約2～5min。通過實(shí)地踏勘和對(duì)已有資料的分析確定掃描方案，在保證數(shù)據(jù)采集完整的前提下，優(yōu)化設(shè)站路徑規(guī)劃，盡量用最少的設(shè)站數(shù)量，減少拼接次數(shù)，相鄰兩站之間有不少于3個(gè)可清晰識(shí)別標(biāo)靶球，在每站可視范圍內(nèi)，保證90%以上的數(shù)據(jù)完整性，站與站之間重復(fù)率在30%以上。針對(duì)地下空間的特殊部位，進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，保證完整性。本次工程共布設(shè)45站，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)站掃描作業(yè)情況如圖3所示。為了將點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至2000國家大地坐標(biāo)系下，在兩個(gè)出入口附件各布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)，使用ZJCORS系統(tǒng)測(cè)得6個(gè)控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)站掃描作業(yè)圖

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理[5-8]主要包括點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云著色、濾波去噪等。使用的軟件為：Faro scene。

1）點(diǎn)云拼接，也稱為點(diǎn)云配準(zhǔn)，包括局部拼接和整體配準(zhǔn)。局部拼接是針對(duì)同一物體不同角度或距離的掃描進(jìn)行拼接，是以掃描儀參考站為零點(diǎn)進(jìn)行的站點(diǎn)與站點(diǎn)間的拼接，局部拼接需要有參考物作為基準(zhǔn)。本工程中參考物采用直徑14.5 cm的標(biāo)靶球，兩站點(diǎn)之間至少設(shè)置3個(gè)公共參考物，每一個(gè)參考物都賦予易識(shí)別且容易記憶的名稱。當(dāng)參考物設(shè)置完成后，局部拼接采用Faro scene軟件自動(dòng)完成，拼接完成后應(yīng)及時(shí)切換三維視圖或?qū)?yīng)視圖查看局部拼接效果以及時(shí)修正。局部拼接精度要小于2 mm。點(diǎn)云整體配準(zhǔn)是對(duì)項(xiàng)目中不同區(qū)域的掃描點(diǎn)整體整合并將其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)的配準(zhǔn)。本工程通過ZJCORS系統(tǒng)獲得控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，導(dǎo)入掃描集群進(jìn)行外部參考控制，即可將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標(biāo)。

2）點(diǎn)云著色，F(xiàn)aro FOCUS 3D 120內(nèi)置色彩選項(xiàng)，設(shè)站掃描時(shí)開啟，儀器在掃描之后會(huì)拍攝照片作為原始色彩數(shù)據(jù)，通過Faro scene軟件可以將照片拼接成一幅彩色全景圖并且彩色數(shù)據(jù)會(huì)賦予點(diǎn)云，每個(gè)點(diǎn)云的參數(shù)會(huì)增加對(duì)應(yīng)的RGB色彩信息，形成彩色的三維點(diǎn)云。

3）點(diǎn)云除噪，這個(gè)工作主要目的是將點(diǎn)云中無用的數(shù)據(jù)刪除，主要用到Faro scene軟件中的多種選擇工具。

2.2.3 三維模型構(gòu)建

本工程采用官方合作軟件GeomaGIS Studio進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。此軟件的建模流程比較成熟，首先將點(diǎn)云導(dǎo)入到Geomagic Studio中去，用統(tǒng)一命令對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽稀，控制點(diǎn)云數(shù)量，對(duì)墻體、管線和鋼結(jié)構(gòu)等規(guī)則物體進(jìn)行自動(dòng)化、半自動(dòng)化建模，其他物體進(jìn)行人工建模。再利用封裝命令將點(diǎn)云封裝成適用主體建模表現(xiàn)方式的三維模型。

2.3 成果分析

2.3.1 平面精度檢驗(yàn)

在酒店負(fù)二層地下停車場(chǎng)選取了15個(gè)明顯特征點(diǎn)，主要分布在停車場(chǎng)四周墻面上、支撐立柱的棱角處、墻的轉(zhuǎn)角處等特征點(diǎn)處。利用全站儀測(cè)出15個(gè)明顯特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)，作為真值，在三維模型中量取相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)值作為檢測(cè)值，計(jì)算統(tǒng)計(jì)真值和檢測(cè)值之間的較差，分析得出該地下停車場(chǎng)三維模型的平面精度。

從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得到，15個(gè)檢查點(diǎn)中平面點(diǎn)位誤差ΔS最大值為7.5 cm，采用平面點(diǎn)位誤差ΔS經(jīng)計(jì)算的平面中誤差為1.6 cm，滿足地下空間建筑物測(cè)繪精度[9]的要求。

表1 三維模型平面精度統(tǒng)計(jì)表

2.3.2 三維模型成果展示

利用三維激光掃描儀Faro FOCUS 3D 120對(duì)杭州洲際酒店負(fù)二層地下停車場(chǎng)進(jìn)行掃描作業(yè)，獲取了該停車場(chǎng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，得到該地下停車場(chǎng)的點(diǎn)云模型，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終生成該地下停車場(chǎng)的三維模型，如圖4所示。

圖4 地下停車場(chǎng)三維模型

3 結(jié) 語

本文以地下停車場(chǎng)為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在城市地下空間三維建模中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討，并通過具體的工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維模型構(gòu)建的方法和流程。實(shí)踐表明三維激光掃描技術(shù)可快速、高精度、細(xì)節(jié)直觀的構(gòu)建出地下空間的三維模型，特別是在通視條件差、不規(guī)則的地下空間更具有優(yōu)勢(shì)；通過與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)的比較，構(gòu)建的地下空間三維模型的精度能夠滿足地下空間建筑物測(cè)繪精度要求；相較于傳統(tǒng)的建模方法，使用三維激光掃描技術(shù)大大縮短了數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，降低了技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了建模工作效率。