石明旺，羅旭，令狐進(jìn)

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量的方法，可獲取高精度、高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有效率高，操作方便，節(jié)省人力，點(diǎn)位和精度分布均勻，人為誤差小等特點(diǎn)，適用于測量不規(guī)則物體[1]。針對表面積測量計算問題，傳統(tǒng)方法為利用全站儀或RTK進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，通過DTM法、方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法等進(jìn)行內(nèi)業(yè)計算，此法因采集點(diǎn)密度不夠不適用于復(fù)雜表面[2]；徐樹坤等人通過測量導(dǎo)線點(diǎn)高程和鉆孔數(shù)據(jù)來計算土方量，利用該方法計算表面積的誤差隨著復(fù)雜程度的增加而增大[3]；H.S.M.Coxeter等人將不規(guī)則平面圖形進(jìn)行三角劃分來計算面積，此法不適于凹凸不平的表面積計算[4]。

重慶地區(qū)由于高差大，堡坎多，許多小區(qū)及基建設(shè)施建有異型塑石假山和不規(guī)則巖石邊坡，其工程量計算需測繪表面積，若采用傳統(tǒng)測量方法，費(fèi)時費(fèi)力，精度難以達(dá)到要求。本文針對不規(guī)則物體表面積測量效率低、精度不足的問題，采用地面三維激光掃描技術(shù)，通過實(shí)驗分析，得出利用點(diǎn)云計算表面積的精度水平，應(yīng)用于工程實(shí)際，高效獲取更加精確的塑石假山表面積成果。

2 三維激光掃描技術(shù)簡介

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，采用非接觸式高速激光測量方式，完整高精度地重建掃描物體，快速獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5～7]，其工作原理為：通過計算掃描中心至目標(biāo)點(diǎn)的激光束往返脈沖或相位時間差，推算掃描中心距目標(biāo)點(diǎn)的斜距，匹配記錄下的激光束水平角、垂直角來解算物體表面激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)，同時記錄激光點(diǎn)的反射強(qiáng)度值，以實(shí)現(xiàn)全自動陣列式高速、實(shí)時掃描[8～10]。通過地面三維激光掃描儀采集不規(guī)則物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要合理分配測站位置，設(shè)置最佳分辨率，以便覆蓋全面、精確拼接，高效完成數(shù)據(jù)采集工作；將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建精確三維模型，以計算高精度表面積成果。

3 精度實(shí)驗與分析

由于本文涉及的塑石假山表面積測量項目精度要求遠(yuǎn)超一般表面積測量精度，所以開展項目前需進(jìn)行精度實(shí)驗和分析，驗證利用地面三維激光掃描技術(shù)測量不規(guī)則物體高精度表面積的可行性和適用性。

3.1 實(shí)驗方案

項目組選用3張A1打印紙編號為1#、2#、3#作為掃描目標(biāo)，用卷尺測量其尺寸作為真值，然后將3張紙分別曲折不同程度模擬假山表面褶皺情況，利用點(diǎn)云可透過玻璃的原理，將3個目標(biāo)粘貼于玻璃隔墻上，以規(guī)避目標(biāo)點(diǎn)云裁剪誤差，采用3臺不同測程與精度的三維激光掃描儀對3個目標(biāo)進(jìn)行不同分辨率的掃描，最后對比3個目標(biāo)不同儀器、不同分辨率下的表面積計算成果，評定精度，確定工程應(yīng)用最佳外業(yè)實(shí)施方案。

將1#紙中間凸起只彎折一道折痕作為輕度異型目標(biāo)，2#紙隨意彎折四道不規(guī)則折痕作為中度異型目標(biāo)，3#紙窩成一團(tuán)折成無數(shù)條折痕之后再攤開作為重度異型目標(biāo)。目標(biāo)樣式如圖1所示。分別采用徠卡P50、法如FocusS350、徠卡BLK360三維激光掃描儀設(shè)置不同分辨率對3個目標(biāo)同時進(jìn)行掃描，然后將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用Trimble RealWorks軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接、初步去噪和裁剪，再轉(zhuǎn)入Geomagic Studio進(jìn)行深度去噪，最后進(jìn)行封裝構(gòu)建三角網(wǎng)模型，計算表面積。通過點(diǎn)云建立的精細(xì)三角網(wǎng)模型如圖2所示。

圖1 1#、2#、3#掃描實(shí)驗?zāi)繕?biāo)(從左向右)

圖2 1#、2#、3#掃描實(shí)驗?zāi)繕?biāo)精細(xì)三維模型(從左向右)

3.2 實(shí)驗結(jié)果與分析

根據(jù)以往經(jīng)驗，考慮數(shù)據(jù)采集效率，每臺三維激光掃描儀選擇常用的高、中、低三個檔次的分辨率，對3個異形程度不同的目標(biāo)進(jìn)行掃描，分別統(tǒng)計其表面積計算結(jié)果的真誤差及相對誤差，以確定何種分辨率能夠達(dá)到下文工程應(yīng)用要求的千分之三的精度。3個目標(biāo)的表面積計算成果如表1所示。

不同程度異形目標(biāo)表面積實(shí)驗結(jié)果 表1

分析表1得知，總體來看對比3臺儀器，徠卡P50獲取的3個目標(biāo)點(diǎn)云表面積計算結(jié)果精度與穩(wěn)定性最好，徠卡BLK360得到的結(jié)果精度與穩(wěn)定性最差；從掃描目標(biāo)異形程度來看，異形程度越嚴(yán)重，表面積計算結(jié)果精度越低。①針對輕度異形1#目標(biāo)，3臺儀器的前兩檔分辨率都能達(dá)到3‰以內(nèi)的精度，徠卡P50和法如FocusS350第一檔分辨率都能達(dá)到1‰以內(nèi)，能滿足工程精度要求，第三檔分辨率都能達(dá)到7‰以內(nèi)，而徠卡BLK360第三檔分辨率只能達(dá)到3%以內(nèi)，差一個數(shù)量級。②針對中度異形2#目標(biāo)，徠卡P50和法如FocusS350前兩檔分辨率都能達(dá)到3‰以內(nèi)，第三檔分辨率都在8‰以內(nèi)，徠卡BLK360只有第一檔分辨率能達(dá)到3‰，后兩檔分辨率精度較低。③針對重度異形3#目標(biāo)，徠卡P50和法如FocusS350前兩檔分辨率相比2#目標(biāo)變化不大，較穩(wěn)定，第三檔分辨率降低較多，而徠卡BLK360整體精度降低較多，第一檔勉強(qiáng)達(dá)到3‰，后兩檔精度低了一個數(shù)量級，第三檔精度只有5%。

究其原因，徠卡P50和法如FocusS350相對徠卡BLK360獲取點(diǎn)云噪點(diǎn)更少，在計算過程中因剔除噪點(diǎn)使精度損失量受目標(biāo)異形程度影響較小，也與不同儀器分辨率設(shè)置有關(guān)。從分辨率來看，徠卡BLK360只有3檔可調(diào)，且整體分辨率較低，徠卡P50和法如FocusS350分辨率可設(shè)置檔位較多，對比表中兩儀器常用的三檔分辨率，兩者字面分辨率相差不大，且法如FocusS350可通過增加掃描倍數(shù)提高分辨率，理論上應(yīng)優(yōu)于徠卡P50，但就實(shí)驗成果來看，兩者掃描輕度與中度異形目標(biāo)時精度相差不大，但針對重度異形目標(biāo)時，徠卡P50精度優(yōu)于法如FocusS350，且前者掃描消耗時間少于后者，可能因為徠卡P50做工質(zhì)量與儀器調(diào)校水平比法如FocusS350更高。

考慮到不同掃描儀的購買成本、操作儀器所需人力成本、時間成本，從表1及表2分析可知，徠卡P50所需購買成本及人力成本最高，法如FocusS350次之，徠卡BLK360最低；單站掃描不同分辨率所需平均時間徠卡P50最短，法如FocusS350此之，徠卡BLK360最長。但實(shí)際工作中，徠卡P50操作相對復(fù)雜，移動及設(shè)站費(fèi)時，法如FocusS350與徠卡BLK360操作簡單，輕便易用，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用不同儀器，設(shè)置適當(dāng)分辨率解決相應(yīng)問題。

綜上所述，采用地面三維激光掃描技術(shù)測量異形物體表面積是可行的，精度能夠達(dá)到工程要求的3‰以內(nèi)。針對塑石假山表面積測量，為保證精度和效率，應(yīng)利用徠卡P50和法如FocusS350掃描大部分面積，徠卡BLK360因其便攜性及精度和穩(wěn)定性限制，宜測量小部分面積且狹窄不易設(shè)站的位置，亦可用來查缺補(bǔ)漏。

4 工程應(yīng)用

4.1 項目概況

本項目測量目標(biāo)為重慶渝北區(qū)某塑石假山堡坎，最高處離地 30 m，長度為 304 m，其表面類似褶皺與溝壑的異型變化較多，測區(qū)實(shí)景如圖3所示。因項目整體精度要求較高，達(dá)3‰以上，利用常規(guī)儀器難以達(dá)到項目所需的精度與效率。項目組經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)有許多深而窄的內(nèi)凹轉(zhuǎn)折，需要采用三維激光掃描技術(shù)，且掃描非常全面、詳細(xì)才能達(dá)到如此之高的精度，還需結(jié)合不同掃描儀，合理匹配分辨率，以達(dá)到滿足精度要求的高效率作業(yè)。

圖3 測區(qū)實(shí)景總覽

4.2 儀器參數(shù)與人員配備

本次掃描項目調(diào)用了一個3人小組，3臺掃描儀，一臺RTK及其他相關(guān)附屬設(shè)備，歷時4天完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集。三維激光掃描儀參數(shù)如表2所示。

三維激光掃描儀參數(shù) 表2

4.3 工作流程

項目主要流程包括：數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、建模及面積計算三個階段。具體工作流程如圖4所示。

圖4 塑石假山表面積測量工作流程圖

(1)數(shù)據(jù)采集階段包含現(xiàn)場踏勘、控制測量、激光掃描等。經(jīng)過踏勘，發(fā)現(xiàn)塑石假山對面有兩棟7層高的新住宅樓，視野較開闊，使用較大的高精度徠卡P50三維激光掃描儀在房頂上對假山進(jìn)行總體掃描，同時在房頂布設(shè)控制點(diǎn)設(shè)站掃描以便后續(xù)點(diǎn)云坐標(biāo)配準(zhǔn)；然后使用較小的法如FocusS350三維激光掃描儀對假山進(jìn)行分段式逐站掃描，再利用便攜式BLK360三維激光掃描儀針對凹槽、溝壑、褶皺等變化處進(jìn)行補(bǔ)漏掃描。獲取的點(diǎn)云兩站之間盡量保證在20%以上的重疊度，利用已有建筑實(shí)現(xiàn)無標(biāo)靶拼接，重疊度無法達(dá)到的位置可增設(shè)標(biāo)靶輔助拼接。

為采集到假山上部人無法達(dá)到的較高位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)，項目組將BLK360三維激光掃描儀固定在 6 m長的測桿上，從假山頂部伸出，使其保持平躺或斜向下的角度進(jìn)行外業(yè)掃描，通過實(shí)驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗判斷，尋找最佳掃描位置與掃描間距，設(shè)置3.2中驗證可行的分辨率，克服各種死角，順利完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，如圖5所示。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作照

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理階段包含點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云坐標(biāo)配準(zhǔn)、點(diǎn)云裁剪、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云分區(qū)及抽稀。本次采集的外業(yè)數(shù)據(jù)有143站，數(shù)據(jù)量達(dá) 165 G，由于數(shù)據(jù)量過大內(nèi)業(yè)計算需分區(qū)分塊進(jìn)行，以提高計算效率。利用Trimble RealWorks對點(diǎn)云進(jìn)行拼接、坐標(biāo)配準(zhǔn)、裁剪、初步去噪及分區(qū)，部分測站點(diǎn)云拼接精度及點(diǎn)云預(yù)覽如圖6所示。

圖6 部分測站點(diǎn)云拼接精度表(左)及點(diǎn)云預(yù)覽圖(右)

(3)點(diǎn)云建模及面積計算階段包括點(diǎn)云三維建模、格網(wǎng)優(yōu)化、表面積計算。首先采用Geomagic Studio對點(diǎn)云進(jìn)行深度去噪，去噪的要點(diǎn)是確定剔除體外孤點(diǎn)的敏感度，一般根據(jù)噪點(diǎn)情況設(shè)為50%～85%，可剔除1～2次，減少噪音方式選擇為自由曲面迭代2～3次，噪點(diǎn)去除之后將點(diǎn)云封裝為三角網(wǎng)模型，再進(jìn)行格網(wǎng)優(yōu)化，最后計算表面積，計算結(jié)果為 5 270.30 m2。項目組花費(fèi)一天時間完成了內(nèi)業(yè)計算。部分點(diǎn)云建模展示如圖7所示。項目測量成果經(jīng)建設(shè)方采用貼報紙的方式進(jìn)行取樣檢驗，最終順利通過驗收。

圖7 部分建模成果展示

5 結(jié) 語

本文通過實(shí)驗數(shù)據(jù)驗證了地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于不規(guī)則物體高精度表面積測量是可行的，為測量塑石假山表面積工程中不同掃描儀的結(jié)合方案提供了參考。工程實(shí)例表明利用三維激光掃描儀進(jìn)行異形物體表面積測量具有高效、高精度的優(yōu)勢，并且提供了精確直觀的三維模型。

利用三維激光掃描技術(shù)處理精度要求高、經(jīng)濟(jì)糾紛多的表面積及土石方測量等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程中存在數(shù)據(jù)量大、噪點(diǎn)多等問題，研發(fā)具有智能化點(diǎn)云抽稀、自動去噪等功能的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件能更大程度上提升內(nèi)業(yè)處理效率，更好地開拓三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍。