隧道三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接技術(shù)研究

摘要：三維激光掃描技術(shù)可以實時、準(zhǔn)確、全方位獲取隧道空間變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道監(jiān)控量測，對施工變形分析和反分析，進(jìn)行隧道施工風(fēng)險預(yù)警預(yù)報，指導(dǎo)信息化施工，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接質(zhì)量直接影響到監(jiān)測結(jié)果，該文對點(diǎn)云空間信息，幾何特征信息，影像信息等進(jìn)行分析，提出基于幾何特征信息的拓?fù)淦唇臃椒ǎこ虒嵺`表明，拼接質(zhì)量好，誤差小，速度快，適應(yīng)于隧道監(jiān)測信息化管理的要求。

關(guān)鍵詞：激光掃描儀 監(jiān)控量測 信息化

目前我國的隧道變形監(jiān)測方法一般采用手工作業(yè)模式，監(jiān)測量需多名監(jiān)測人員同時作業(yè)，由于監(jiān)測項目多、線路長、測點(diǎn)多、觀測頻繁和數(shù)據(jù)量大，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、分析和資料管理等工作滯后，不能及時快速地反饋監(jiān)測信息，指導(dǎo)隧道信息化施工，嚴(yán)重的影響了隧道等地下工程的監(jiān)測工作開展和技術(shù)的發(fā)展。隨著隧道及地下工程修建技術(shù)不斷提高，信息化施工已成為地下工程發(fā)展的必然趨勢，三維激光掃描技術(shù)可以實時、準(zhǔn)確、全方位獲取隧道空間變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道施工變形分析和反分析，對隧道施工進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警預(yù)報，指導(dǎo)隧道信息化施工，也必將成為隧道監(jiān)控量測的主要發(fā)展方向。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

隧道工程為一狹長結(jié)構(gòu)，施工安全步距一般為幾米至幾十米，三維激光掃描儀的點(diǎn)云掃描密度是隨著掃描距離的增加而下降的，所以在隧道有限的管狀空間內(nèi)，為了保證有充足的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于提取隧道的形變信息，通常每個測站所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中有效范圍只有幾十米，這是隧道特殊結(jié)構(gòu)下不可避免的特殊問題。采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道監(jiān)控量測時需通過分站式掃描才能采集全部數(shù)據(jù)。為了使監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，掃描數(shù)據(jù)必須有一定的重合度，即保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接過程中每兩個測站間的公共部分，監(jiān)測時需根據(jù)隧道斷面尺寸大小，每隔一定距離設(shè)置一個測站，在兩站間的銜接部分設(shè)置用于不同測站數(shù)據(jù)拼按的控制點(diǎn)，為了保障數(shù)據(jù)的拼接質(zhì)量一般在每兩個測站間的隧道內(nèi)壁上均勻布設(shè)5～6個（不少于3個）反光靶（球），在地面上布設(shè)3～4個反光靶（球），三維掃描儀監(jiān)測數(shù)據(jù)分別在以各站站點(diǎn)為原點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系中，以此分析隧道變形時需要對各測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼按，在數(shù)據(jù)拼按時將第一站作為基準(zhǔn)站，其后每一站分別與相鄰的前一站作拼按，前后測站間首尾相連。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法與分析

隧道監(jiān)測區(qū)段的數(shù)據(jù)采集過程中需對隧道進(jìn)行分站式掃描，監(jiān)測時既要保證掃描數(shù)據(jù)的精度，也要有足夠的控制點(diǎn)和掃描數(shù)據(jù)的重合度才能保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接質(zhì)量和拼接精度是掌握隧道等地下工程變形和施工安全的前提，所以要盡量提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減小拼接誤差。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼按是按照一定的數(shù)學(xué)法則，求取相鄰測站所在獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過剛體變換、平移的旋轉(zhuǎn)等數(shù)學(xué)方法，將所有測站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)幾何信息統(tǒng)一到同一個三維空間坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換過程不能對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行任何扭曲和縮放，以保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何信息無縫連接，不產(chǎn)生任何變形。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼按主要采用以下方法：（1）基于控制點(diǎn)三維坐標(biāo)的點(diǎn)云拼接，該方法采用全站儀和GPS等測量拼接區(qū)域的控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后各控制點(diǎn)坐標(biāo)對各測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼按，方法簡單，拼接精度依賴于控制點(diǎn)測量精度；（2）基于測量表面貼附標(biāo)記點(diǎn)的方法，該方法在要掃描的目標(biāo)區(qū)域的內(nèi)部或周圍兩站或多站公共掃描目標(biāo)區(qū)域放置三個以上的標(biāo)靶，掃描并獲取掃描區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計算兩組相鄰區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的拼按變換參數(shù)，拼按精度受標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量和位置影響；（3）基于特征點(diǎn)云的混合拼按，該方法要求掃描實體時要有一定的重合度，拼接精度主要依賴于拼按算法，可分為基于點(diǎn)信息的拼接算法、基于幾何特征信息的拼按算法、動態(tài)拼接算法和基于影像的拼按算法等。

3 混合拼接方法主要如下幾種

3.1 基于點(diǎn)信息的迭代拼接方法

基于點(diǎn)信息的迭代拼接方法（ICP）是提出最早也是最為經(jīng)典的點(diǎn)云拼按方法，經(jīng)過20多年的發(fā)展已成為點(diǎn)云配準(zhǔn)中的主流算法，是點(diǎn)云配準(zhǔn)研究的開創(chuàng)性工作，也是后續(xù)基于迭代的配準(zhǔn)算法的理論基礎(chǔ)和框架，該算法是由Besl和Chen分別提出的，Besl使用參數(shù)是點(diǎn)點(diǎn)距離，而Chen使用參數(shù)是點(diǎn)面距離，其原理都是基于最小二乘法算法的最優(yōu)匹配方法，重復(fù)進(jìn)行配準(zhǔn)，確定最優(yōu)剛體變換參數(shù)，迭代計算至誤差收斂。

3.2 基于幾何特征信息的預(yù)處理拼接方法

所謂基于幾何特征的拼按，就是根據(jù)三維實體幾何形狀特征進(jìn)行拼接，分為整體拼按、曲面特征拼接和點(diǎn)信息特征拼接等算法，整體拼接算法通常用于預(yù)拼接，通常與ICP算法一起來完成拼按整個過程，首先以點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的特征點(diǎn)幾何信息進(jìn)行粗略拼按，再進(jìn)行迭代處理，拼接效率較高。根據(jù)曲率特征拼接的算法最能準(zhǔn)確反映出三維實體的表面幾何特征信息，拼接過程簡單，整體精度較高；利三維實體的特征點(diǎn)信息或特征線信息進(jìn)行拼按的方法是曲面特征拼按方法的補(bǔ)充，一般適用于小范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，且需要有某些先驗知識。

基于幾何特征信息的預(yù)處理拼接算法的總體思路是相同的，根據(jù)拼按時所選擇實體的幾何特征拼接方法分為如下幾種：①曲面法向矢量法，其主要特征是對要拼按的兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計算出測點(diǎn)及其鄰域點(diǎn)每個點(diǎn)的曲面法向矢量，按法向矢量方向進(jìn)行拼按。②曲面曲率法，其主要特征是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)計算出各個測點(diǎn)的曲率，根據(jù)測點(diǎn)的曲率大小將相同的點(diǎn)集合進(jìn)行配準(zhǔn)。③幾何哈希方法，其主要特征是首先將每個點(diǎn)對的法向映射為三維空間變換，把點(diǎn)對法向一的集按照數(shù)學(xué)法則進(jìn)行拼接，再進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)迭代運(yùn)算進(jìn)行拼按。④ICP算法迭代法，其主要特征是找出幾何特征信息，采用ICP算法進(jìn)行預(yù)拼接，并以算計結(jié)果為基礎(chǔ)，把上次拼接點(diǎn)對集合再運(yùn)用ICP算法進(jìn)行二次拼按，經(jīng)過多次迭代計算，實現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確拼接。

3.3 多條件動態(tài)拼接方法

動態(tài)拼接是指對運(yùn)動和形變的采樣點(diǎn)，在不同的幀之間根據(jù)運(yùn)動學(xué)原理完成插值拼接。在該拼接模式下對三維實體的數(shù)據(jù)獲取采用的是旋轉(zhuǎn)式掃描法，其特征是掃描儀固定在站點(diǎn)，三維物體沿著中軸線旋轉(zhuǎn)，掃描方式得到多幀組成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過相鄰幀之間相互關(guān)系，由旋轉(zhuǎn)速度計算得出每一幀的旋轉(zhuǎn)夾角來進(jìn)行拼接，是特殊條件下的一種拼接方法。

2004年NiloyJ，Mitra提出了一種新的動態(tài)拼接算法，對采樣線的點(diǎn)進(jìn)行光順，其中整體的誤差最小，并得到了比較好的效果。

3.4 基于影像的拼接方法

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼按時借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)，利用計算機(jī)數(shù)字融合技術(shù)和逆向工程理論在立體像對上自動搜索同名像點(diǎn)，并進(jìn)行同名點(diǎn)自動識別，根據(jù)拼按的基元分為基于灰度的拼接算法和基于幾何特征的拼按算法二種，其中：基于灰度拼接算法技術(shù)較為成熟，拼接精度較高，主要特征信息為圖像灰度特征，強(qiáng)調(diào)光強(qiáng)和對比度，對其他信息顧及較少，拼接結(jié)果容易出現(xiàn)錯誤，影響成果鑒定的使用；基于幾何特征的拼接算法通常利用Harris算法進(jìn)行角點(diǎn)檢測，然后利用歸一化相關(guān)法進(jìn)行匹配，從而得到匹配點(diǎn)對，可有效地提高了圖像拼接的精度和速度。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法存在問題與改進(jìn)

目前國內(nèi)外點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法均基于ICP算法，第一步先確定對應(yīng)點(diǎn)集，然后根據(jù)對應(yīng)點(diǎn)集確定點(diǎn)云間對應(yīng)的坐標(biāo)變換矩陣，再進(jìn)行迭代計算直至滿足精度要求為止。該方法中確定對應(yīng)點(diǎn)集是決定算法的關(guān)鍵問題，也決定的了收斂的速度和拼接的精度，無論對應(yīng)點(diǎn)集是點(diǎn)到點(diǎn)的距離還是點(diǎn)到面的距離，要計算過程中都容易產(chǎn)生對點(diǎn)錯誤，影響點(diǎn)云拼按的質(zhì)量和速度。

1998年dorai等提出了用候選對應(yīng)點(diǎn)到點(diǎn)距離約束來減小對應(yīng)點(diǎn)對的方法，2002年sharp等人又提出了利用被測物體表面的特征不變量來確定對應(yīng)點(diǎn)對的方法，結(jié)合點(diǎn)對之間的共線約束和臨近性約束來排除錯誤對應(yīng)點(diǎn)，從而提高了對應(yīng)點(diǎn)的正確性，使點(diǎn)云拼接質(zhì)量得到大大的提高。

5 結(jié)語

三維激光掃描測量產(chǎn)生誤差的原因主要有儀器本身的誤差、掃描目標(biāo)的誤差和外界環(huán)境條件誤差等，數(shù)據(jù)處理誤差主要焦距在數(shù)據(jù)拼接過程中的拼接算法上，改進(jìn)測量方法和測量條件，采用先進(jìn)的拼接算法是提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼按質(zhì)量的關(guān)鍵問題。

在拼按ICP算法中，對應(yīng)點(diǎn)對的確定方法直接影響到拼接質(zhì)量和速度，附有多約束條件的表面特征不變量確定方法是目前啼為理想的方法，可有效地提高了對應(yīng)點(diǎn)的正確性，使點(diǎn)云拼按質(zhì)量得到大大的提高。

隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接過程中每兩個測站間的公共部分十分有限，監(jiān)測時采用反射片（靶）做為反射體，由于反射片為面狀體，空間幾何特征不十分明顯，測量時不容易被正射掃描，給反射體的空間幾何輪廓測量帶來誤差，其中心坐標(biāo)很難精確確定，是造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接誤差的主要來源，結(jié)合隧道工程特點(diǎn)建議監(jiān)測時采用反光標(biāo)志球，由于標(biāo)志球反射體的幾何輪廓明確，容易被掃描儀準(zhǔn)確完整獲取，計算其中心坐標(biāo)精度高，可有效控制拼按誤差，提高監(jiān)測的效率。