李鴻奎 李靜 孔維樞

（1.大連市自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116011；2.解放軍32023 部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

傳統(tǒng)測繪技術(shù)，比如全站儀測繪、GPS 測繪等，是對地物完成單點(diǎn)測量，得到測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)信息[1]，需要技術(shù)人員深入測區(qū)，不僅測量速度慢、勞動強(qiáng)度大，在地形復(fù)雜區(qū)域還存在人員安全隱患[2]。三維激光掃描技術(shù)是將實(shí)體信息迅速掃描為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使其變換為電腦可以識別處理的信息，這種信息更加豐富，便于存檔[3]。該技術(shù)通過高速激光掃描測量，在不直接接觸測量物的情況下，快速采集外業(yè)數(shù)據(jù)，獲取目標(biāo)對象表面的三維坐標(biāo)信息，然后交由內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。和常規(guī)作業(yè)方式不同，該技術(shù)減少了外業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，縮小了野外作業(yè)的工作周期，自動化程度明顯提高[4]。憑借穿透性、高效率、不接觸性、實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)在軍民共建等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文利用三維激光掃描技術(shù)開展空間數(shù)據(jù)采集，對獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，將不同測站測得的點(diǎn)云坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，然后用全站儀對相同地域進(jìn)行傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，在兩種測量方法的坐標(biāo)系中找到不少于三對同名點(diǎn)坐標(biāo)，求解七參數(shù)。利用求得的七參數(shù)將三維激光掃描儀的點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為全站儀的坐標(biāo)系，最后對數(shù)據(jù)精度進(jìn)行對比分析。

1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

三維激光掃描儀通過發(fā)射激光束到物體表面，再經(jīng)過物體表面的漫反射使一部分激光束返回三維激光掃描儀[5]，可計算出掃描儀與被測物體間的距離S?？刂凭幋a器同步可測量出激光路徑與X 軸的角度觀測值，和與Y 軸的角度觀測值[6]。X 軸和Y 軸都在橫向掃描面且相互垂直，Z 軸則與橫向掃描面垂直，計算原理如圖1 所示。

圖1 地面三維激光掃描儀計算原理

依據(jù)圖1，可計算出被測物體的三維空間坐標(biāo)，具體計算公式如下：

公式（1）是以三維激光掃描儀掃描中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在實(shí)際測量工作中需將測量的點(diǎn)云坐標(biāo)放到實(shí)際坐標(biāo)系統(tǒng)中[7]。

2 三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用

近年來，三維激光掃描技術(shù)發(fā)展不斷成熟，在建筑物三維建模、水庫橋梁變形監(jiān)測、地籍測繪等領(lǐng)域都得到了普遍應(yīng)用[8]，尤其在地形測繪中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，在測定掃描儀測站點(diǎn)定位和后視標(biāo)靶坐標(biāo)定向后，獲得全景范圍內(nèi)可見面域空間點(diǎn)連續(xù)的三維坐標(biāo)和影像，通過實(shí)時設(shè)站重新掃描，確保整個測區(qū)無遺漏。

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)并分類處理，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、激光點(diǎn)濾波后，建立測區(qū)的DEM 數(shù)據(jù)，如圖2 所示。與傳統(tǒng)測繪方法相比，利用三維激光掃描技術(shù)獲取DEM 數(shù)據(jù)，操作簡單，快速便捷，節(jié)省人力物力。

圖2 DEM數(shù)據(jù)

3 實(shí)際案例分析

3.1 三維激光掃描儀作業(yè)

3.1.1 數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)使用RIEGL VZ-1000 地面三維激光掃描儀，對道路及兩側(cè)地物進(jìn)行掃描。掃描距離為600m，每秒最高可以發(fā)射30 萬個激光脈沖，提供高達(dá)1.8 秒的角度分辨率。測區(qū)道路全長近1.7 公里，由于道路較長，無法一站完成作業(yè)，因此實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了9 個測站點(diǎn)。為了便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，相鄰測站之間有部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊。三維激光掃描儀獲取的道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 三維激光掃描儀獲取的道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描儀對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，即將不同坐標(biāo)系下的三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系[9]，將需要拼接的兩站數(shù)據(jù)拖入視窗，點(diǎn)選手動拼接，將基準(zhǔn)站放置在A 窗口、拼接站的站點(diǎn)放置在B 窗口，分別在兩個窗口數(shù)據(jù)的共同區(qū)域選取四對位置一樣的點(diǎn)，具體如圖4 所示。

圖4 手動拼接

由于三維激光掃描儀采用的是內(nèi)置坐標(biāo)系統(tǒng)，要將不同測站測量的數(shù)據(jù)拼接在同一個坐標(biāo)系，拼接前后的圖像如圖5 和圖6 所示。

圖5 拼接前圖像

圖6 拼接后圖像

3.2 全站儀數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)使用徠卡高精度全站儀采集數(shù)據(jù)，該儀器在平均大氣條件下測角精度為2"，測距精度高；與三維激光掃描儀測點(diǎn)精度相比，單點(diǎn)測量精度較高，且性能較為穩(wěn)定。

（1）全站儀的布點(diǎn)與測量

在測區(qū)找到兩個已知控制點(diǎn)K02 與K03，兩點(diǎn)相距80 米左右，如圖7 所示。在K02 架設(shè)全站儀，進(jìn)行方向定向（即在全站儀中輸入當(dāng)前與后視點(diǎn)坐標(biāo)），測量道路邊界與兩側(cè)相關(guān)地物。

圖7 同名點(diǎn)

（2）同名點(diǎn)布設(shè)

實(shí)驗(yàn)同時使用全站儀與三維激光掃描儀采集外業(yè)數(shù)據(jù)。為了對比兩種方法的測量精度，需統(tǒng)一坐標(biāo)，并以路燈為參照物，在測區(qū)布設(shè)9 個同名點(diǎn)S1～S9，具體如圖7 所示。

3.3 解算七參數(shù)

為了將兩個不同的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相同坐標(biāo)系下，首先求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需的七參數(shù)，而解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的七參數(shù)，至少需要三對同名點(diǎn)。這三對同名點(diǎn)要求精度高，分布均勻，并有較大的覆蓋面。因此，本次選取S1、S5、S9 三對同名點(diǎn)，七參數(shù)結(jié)算完成后得到同名點(diǎn)轉(zhuǎn)換前后坐標(biāo)值，最終求得七參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 七參數(shù)結(jié)果

3.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)位誤差分析

布爾莎模型是一種用于描述地理空間不確定性及其傳播機(jī)制的概率模型，在測繪領(lǐng)域被廣泛用于估計和傳播測量誤差。實(shí)驗(yàn)采用布爾莎模型對特征點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與全站儀所測坐標(biāo)有所不同，具有一定的誤差。為了比較轉(zhuǎn)換前后坐標(biāo)差值的大小，整體評價轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云精度，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)較差Δx、Δy、Δz，計算三維激光掃描儀不同測站點(diǎn)之間的點(diǎn)位誤差，并比較其精度與距離的關(guān)系。點(diǎn)位誤差公式為：

在測區(qū)選取幾個不同的點(diǎn)，選點(diǎn)要清晰明確，可在三維激光掃描儀和全站儀兩種坐標(biāo)系下找到對應(yīng)的坐標(biāo)值，同時點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離盡量保持一致，使各點(diǎn)與三維激光掃描儀盡量在一條直線，如圖8 所示。根據(jù)公式（2）計算出各點(diǎn)的點(diǎn)位精度值。

圖8 與掃描測站不同距離的點(diǎn)

根據(jù)布爾莎模型，將D1 至D6 三維激光掃描儀下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全站儀下的坐標(biāo)，根據(jù)公式（2）求出轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)位誤差，結(jié)果如表2 所示，各點(diǎn)的點(diǎn)位誤差與距離的趨勢如圖9 所示。

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)位誤差

圖9 點(diǎn)位誤差與距離趨勢

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖表分析，可以發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀測量點(diǎn)坐標(biāo)誤差與其距離有關(guān)，隨著距離的增大，誤差呈增長趨勢。

4 精度分析

實(shí)驗(yàn)分別利用全站儀和三維激光掃描技術(shù)對參照物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在使用全站儀對測區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，選取該地物邊側(cè)三個不同的點(diǎn)位進(jìn)行觀測，讀取三個坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并求出中心點(diǎn)坐標(biāo)，再根據(jù)七參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，結(jié)果如表3 所示。

表3 中心點(diǎn)坐標(biāo)

根據(jù)表3，點(diǎn)號SW 是在三維坐標(biāo)下獲取的路燈中心點(diǎn)，表3 第二行數(shù)據(jù)是三維激光掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，第三行是經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后相對應(yīng)的坐標(biāo)值。求出路燈邊側(cè)三個點(diǎn)與中心點(diǎn)的坐標(biāo)值，如表4 所示，J128 至J130 是三個邊側(cè)點(diǎn)，ZD 是其中心點(diǎn)坐標(biāo)，分別求出SW 與其余四個點(diǎn)的點(diǎn)位誤差值。

表4 中心點(diǎn)與邊點(diǎn)的點(diǎn)位誤差

通過數(shù)據(jù)分析可知，全站儀所測的邊測點(diǎn)的點(diǎn)位誤差大于其中心點(diǎn)位誤差，因此可以得出，在同一測量精度下，全站儀的誤差相對較大，而使用三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)相對精確。

5 結(jié)論

本文通過實(shí)際案例和兩種測繪方式的精度分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描測量和全站儀測量在不同應(yīng)用場景下各有優(yōu)勢。在近距離大型場景三維測量中，三維激光掃描技術(shù)采樣速率快、點(diǎn)位精度高，在遠(yuǎn)距離測量時，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的精度變低。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體場景和需求選擇合適的測量技術(shù)，提高測量精度和效率。