劉學(xué)思

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

1 引 言

竣工測(cè)量是建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃驗(yàn)收的必要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要采用GNSS-RTK、全站儀、測(cè)距儀的方式進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。該方法存在作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)信息單一、無(wú)法對(duì)狹小區(qū)域進(jìn)行測(cè)量等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，其在竣工測(cè)量中的應(yīng)用也得到了廣泛關(guān)注[1～5]。本文以工程實(shí)例的方式，介紹GeoslamZeb-Horizon移動(dòng)式三維激光掃描儀(以下簡(jiǎn)稱：Zeb-Horizon掃描儀)在城市竣工測(cè)量的技術(shù)方法和作業(yè)流程，并與傳統(tǒng)測(cè)量方式就作業(yè)效率、成果精度等進(jìn)行對(duì)比分析。

2 Zeb-Horizon掃描儀

2.1 Zeb-Horizon簡(jiǎn)介

Zeb-Horizon是一款基于SLAM技術(shù)的移動(dòng)式三維激光掃描儀，其提供了一種高效和簡(jiǎn)單的方法來(lái)獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的獲取是通過(guò)邊走邊掃的方式，就同一區(qū)域而言其相對(duì)于傳統(tǒng)地面掃描方法所用時(shí)間更少。其基本性能參數(shù)如表1所示。

Zeb-Horizon基本參數(shù) 表1

2.2 Zeb-Horizon基本原理

Zeb-Horizon是由一個(gè)2D脈沖式激光測(cè)距儀和安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的慣性測(cè)量單元(IMU)組合而成。掃描鏡頭在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的運(yùn)動(dòng)為生成3D信息提供了所需的第三維度。利用SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法將2D點(diǎn)云數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)結(jié)合生成精確的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Zeb-Horizon將獲取原始的激光測(cè)距信息和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)記錄器中，然后內(nèi)業(yè)利用SLAM算法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的處理要都在GeoSLAM Hub軟件中進(jìn)行。Zeb-Horizon移動(dòng)式掃描儀主要是利用點(diǎn)云特征和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，因此在測(cè)量過(guò)程中速度(建議正常步行速度)不宜過(guò)快，單個(gè)掃描回路時(shí)間(建議不超過(guò) 30 min)不宜過(guò)長(zhǎng)。

2.3 Zeb-Horizon作業(yè)流程

Zeb-Horizon移動(dòng)式掃描儀進(jìn)行掃描作業(yè)流程包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘及路徑規(guī)劃(為保證測(cè)量精度盡量形成一個(gè)閉合路線)、建立測(cè)量控制網(wǎng)、初始化儀器并按規(guī)劃路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、利用GeoSLAM Hub軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、最終利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖等，如圖1所示。

圖1 Zeb-Horizon作業(yè)流程

3 Zeb-Horizon應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

本文以某廠區(qū)的規(guī)劃核實(shí)竣工測(cè)量為例，利用Zeb-Horizon對(duì)竣工范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本次測(cè)量主要是兩個(gè)廠房，建筑占地面積約為 5 500 m2，廠區(qū)占地面積約 40 000 m2。

圖2 廠區(qū)現(xiàn)狀

3.2 外業(yè)采集

(1)控制網(wǎng)布設(shè)。掃描作業(yè)開(kāi)始前需利用GNSS-RTK在測(cè)量范圍均勻布置幾個(gè)控制點(diǎn)，以便于內(nèi)業(yè)點(diǎn)云處理時(shí)進(jìn)行地理坐標(biāo)配準(zhǔn)。

(2)路徑規(guī)劃。由于Zeb-Horizon特殊測(cè)量模式(移動(dòng)式掃描，盡可能形成一個(gè)閉合環(huán)路)，因此首先要規(guī)劃一下移動(dòng)掃描路徑盡可能以較短的時(shí)間掃完整個(gè)感興趣區(qū)域。廠區(qū)的掃描路徑如圖3所示。

圖3 移動(dòng)掃描路徑

(3)啟動(dòng)掃描。開(kāi)始掃描時(shí)，需將Zeb-Horizon掃描激光頭放置在平穩(wěn)的平面上，然后開(kāi)機(jī)進(jìn)行初始化，初始化完成后，即可按照?qǐng)D3的掃描路徑從左下角開(kāi)始按逆時(shí)針?lè)较驋呙枵麄€(gè)廠區(qū)，最后又回到左下角的位置，至此掃描結(jié)束。

3.3 內(nèi)業(yè)處理

(1)GeoSLAM Hub軟件解算。從數(shù)據(jù)記錄器中下載的原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)GeoSLAM Hub軟件的解算才能成為正確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本次掃描時(shí)間約 20 min，獲取的原始數(shù)據(jù)約 1.01 G，最終通過(guò)GeoSLAM Hub軟件解算去噪，導(dǎo)出后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)約 612 M(laz格式)。

(2)地理坐標(biāo)配準(zhǔn)。將導(dǎo)出laz點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到Trimble RealWorks軟件中進(jìn)行點(diǎn)云地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，最總轉(zhuǎn)換到與規(guī)劃核實(shí)相統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)配準(zhǔn)

(3)成果制作。將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到清華山維EPS三維測(cè)圖軟件中進(jìn)行地形圖繪制[6，7]，如圖5所示。點(diǎn)云數(shù)據(jù)除了能夠繪制竣工地形圖外，也可用來(lái)繪制立面圖，提取各類(lèi)地物位置和高度信息等。

圖5 EPS三維繪圖

4 成果展示及討論

4.1 成果展示

根據(jù)上述步驟完成內(nèi)、外業(yè)作業(yè)，可以獲取該廠區(qū)的竣工地形圖及廠房立面圖等，如圖6所示。

圖6 成果展示

4.2 討論

為進(jìn)一步更加直觀的分析Zeb-Horizon掃描儀的數(shù)據(jù)精度及作業(yè)效率，采用傳統(tǒng)全站儀的作業(yè)模式對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行竣工測(cè)量，最終分析對(duì)比不同作業(yè)方式獲取的成果數(shù)據(jù)。

(1)精度對(duì)比

選取兩個(gè)廠房的12個(gè)特征拐點(diǎn)進(jìn)行平面精度比較，同時(shí)隨機(jī)選取12個(gè)井蓋高程進(jìn)行高程精度對(duì)比，坐標(biāo)差值及高程差值分別如表2、表3所示。由表2、表3可以得出Zeb-Horizon獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面中誤差約為 3.9 cm、高程中誤差約 3.0 cm，均滿足《城市測(cè)量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)中竣工測(cè)量的精度要求[8]。

Zeb-Horizon與全站儀平面精度對(duì)比 表2

Zeb-Horizon與全站儀高程精度對(duì)比 表3

(2)效率分析

在已有控制點(diǎn)的情況下，與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量模式相比，Zeb-Horizon掃描儀外業(yè)掃描用時(shí)約為 20 min，外業(yè)時(shí)間明顯縮短；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理經(jīng)過(guò)點(diǎn)云計(jì)算、三維繪圖等步驟，在此相對(duì)傳統(tǒng)模式無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。但就數(shù)據(jù)信息量而言，點(diǎn)云數(shù)據(jù)幾乎完全復(fù)制了項(xiàng)目范圍的所有三維信息，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠獲得很多傳統(tǒng)測(cè)量模式所不能獲取的成果數(shù)據(jù)(如立面圖等)。

5 結(jié) 論

利用Zeb-Horizon掃描儀進(jìn)行建筑竣工測(cè)量，外業(yè)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化高、效率快，在外業(yè)作業(yè)效率上有很大程度的提高；三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供了竣工現(xiàn)場(chǎng)的所有可見(jiàn)的三圍信息，在信息量上也有明顯優(yōu)勢(shì)；最終的項(xiàng)目成果也滿足精度要求。相信隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，移動(dòng)式掃描儀的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越廣。