三維激光掃描技術(shù)在地下汽車位測量中的應(yīng)用

葉 斌，李俊峰

（1.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042）

地面三維激光掃描技術(shù)是利用激光測量單元進(jìn)行從左到右，從上到下的全自動高精度步進(jìn)測量，進(jìn)而得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)的三維坐標(biāo)[1-3]。本文介紹了三維激光掃描儀的工作原理及其在地下汽車位測量中的應(yīng)用技術(shù)流程，并將該技術(shù)應(yīng)用于寧波市杭州灣世紀(jì)城近萬個地下汽車位測量。

1 地面三維激光掃描儀的工作原理

地面三維激光掃描儀通過激光測距儀及掃描儀內(nèi)部水平角、垂直角度盤分別記錄激光測量斜距和激光光束的水平角、垂直角，從而解算目標(biāo)相對于儀器中心的三維坐標(biāo)：

式中，L為斜距；θ為垂直角；φ為水平角。

三維激光掃描測量的坐標(biāo)原點(diǎn)S在儀器中心；Y軸在儀器固定方向上，為激光掃描方向；Z軸豎直向上，X軸由右手直角坐標(biāo)系確定。通過式（1）可將掃描儀獲得的距離及角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而獲得在同一空間參考系表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面光譜特性的點(diǎn)云。基于點(diǎn)云的可量測性及不同目標(biāo)的反射差異，進(jìn)行地下汽車位的識別和量測。

本文使用的是Rigel公司生產(chǎn)的VZ-400地面三維激光掃描儀，其在高速模式下的點(diǎn)位精度為5 mm@100 m；距離分辨率為2 mm@100 m；角度分辨率為1.8"；測程為350 m；掃描速度為300 000 p/s；視場角V為100°，H為360°；掃描方式為脈沖式。在采集地下汽車位點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程中，將RIEGL VZ-400掃描儀固定在測量車的右后側(cè)，如圖1所示，單站采集18個汽車位數(shù)據(jù)，然后將測量車移動到下一站繼續(xù)采集。

圖1 裝載RIGEL VZ-400激光掃描儀的測量車

2 基于三維激光掃描技術(shù)的地下汽車位測量

2.1 測區(qū)勘察及規(guī)劃

杭州灣世紀(jì)城地下車庫布局比較復(fù)雜，而三維激光掃描儀一次掃描的數(shù)據(jù)有限，為了獲得所有汽車位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須分多次在不同的測站進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描。現(xiàn)場踏勘的目的就是了解待測地下車庫的空間分布，為三維激光掃描儀的掃描作業(yè)規(guī)劃作準(zhǔn)備，以防止出現(xiàn)測量不完整、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或作業(yè)效率降低，確保測量工作順利展開。掃描規(guī)劃主要包括：

1）掃描站點(diǎn)設(shè)置。首先要通過試驗明確三維激光掃描儀單站掃描所能覆蓋的有效汽車位數(shù)。考慮到三維激光掃描系統(tǒng)存在點(diǎn)云空洞的問題，還應(yīng)明確三維激光掃描系統(tǒng)與待掃描區(qū)域最鄰近汽車位線的最短距離，然后對測量車停靠位置予以詳細(xì)規(guī)定，并對車輛行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)劃，原則上要保證掃描站數(shù)最少、車輛行駛的線路最短。

2）掃描分辨率設(shè)置。掃描分辨率的設(shè)置主要以三維激光掃描儀單站掃描獲取的有效汽車位區(qū)域點(diǎn)云中的汽車位線能正常捕捉和量測、且使掃描時間最短為原則。

3）單站掃描范圍設(shè)置。單站掃描范圍的設(shè)置是通過設(shè)置水平及垂直方向的掃描范圍角，避免獲取非目標(biāo)地物，從而減少掃描時間及冗余數(shù)據(jù)。

2.2 地下汽車位數(shù)據(jù)采集

測量車進(jìn)入測區(qū)指定測站，開啟掃描儀新建工程及測站，設(shè)置掃描儀分辨率、水平及垂直方向的角度范圍。VZ-400掃描儀對測量車行進(jìn)方向的右側(cè)扇形區(qū)域進(jìn)行推掃，單站測量的有效汽車位數(shù)為18個。待單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完畢后，新建掃描站并將車載系統(tǒng)移動至下一掃描站，直至完成整個地下汽車位掃描。單站掃描獲得的地下汽車位點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示，每一站點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取完成，應(yīng)詳細(xì)繪制草圖，標(biāo)注站點(diǎn)位置，記錄數(shù)據(jù)文件對應(yīng)關(guān)系作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的重要依據(jù)。

圖2 三維激光掃描儀獲取的車位點(diǎn)云數(shù)據(jù)

同時，在測區(qū)范圍內(nèi)選取部分汽車位采用手持激光測距儀進(jìn)行測量，以此對基于三維激光點(diǎn)云的房產(chǎn)測量數(shù)據(jù)精度進(jìn)行評定。

2.3 激光點(diǎn)云處理

三維激光掃描儀在接收回波的過程中，會存在一定的噪聲點(diǎn)，需要加以濾除，以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對于大宗噪聲點(diǎn)，一般采用手工選擇并刪除的方法；對于實(shí)物表面、肉眼難以分辨的噪聲點(diǎn)，則通過激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件來剔除。其基本原理是在主體點(diǎn)云模型表面設(shè)置一閾值，計算其余點(diǎn)與主體之間的距離差值，若差值大于給定閾值，則將該點(diǎn)歸于噪聲點(diǎn)并刪除，否則作為主體點(diǎn)云予以保留。噪聲點(diǎn)的刪除是一個迭代的過程，即逐步減小閾值直至將主體點(diǎn)云表面的噪音點(diǎn)清理干凈[4]。

2.4 地下汽車位線的繪制

地下汽車位線的繪制在基于MicroStation開發(fā)的TerraSolid軟件中完成。將點(diǎn)云導(dǎo)入、分類并按強(qiáng)度設(shè)置點(diǎn)云的顯示模式，通過設(shè)置合理的反射強(qiáng)度分布范圍來增強(qiáng)點(diǎn)云中汽車位線與周圍地物的反差，以方便后續(xù)汽車位線的繪制。反射強(qiáng)度設(shè)置如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的反射強(qiáng)度設(shè)置

經(jīng)實(shí)驗可知，當(dāng)反射強(qiáng)度設(shè)置在200～800范圍內(nèi)時，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的汽車位線最易判讀，顯示效果如圖4所示。

圖4 調(diào)整反射強(qiáng)度后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

汽車位邊線的繪制采用手工的方式進(jìn)行，可采用如下2種方法：①從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中量取汽車位邊線尺寸，據(jù)此來調(diào)整預(yù)測分層分戶圖中的地下汽車位邊線；②利用MicroStation的繪線工具直接在點(diǎn)云中人工構(gòu)繪汽車位邊線，并將每個區(qū)塊的汽車位邊線插入到預(yù)測分層分戶圖對應(yīng)位置上。

2.5 成果檢驗

為了檢測三維激光掃描新方法獲取的地下汽車位成果的可靠性和精度，本文選取了一定數(shù)量的地下汽車位樣本進(jìn)行了測試。

2.5.1 穩(wěn)定性測試

隨機(jī)選擇10個地下汽車位樣本，對于任意一個樣本汽車位，均選取2個不同的站點(diǎn)用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過上述方法處理后，人工從處理后的點(diǎn)云中采集地下汽車位尺寸。每站掃描獲取的地下汽車位尺寸均量測2次，比較4次量測結(jié)果的差值，以此來驗證三維激光掃描方法的穩(wěn)定性，如表1所示。

從表1可以看出，所有樣本數(shù)據(jù)2次測量的較差均小于3 mm，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性符合地下汽車位作業(yè)要求。

表1 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性測試記錄表/ m

2.5.2 精確性測試

為測試三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)精度，利用手持式激光測距儀按照傳統(tǒng)手段在現(xiàn)場隨機(jī)采集部分汽車位邊線尺寸。采集過程中，每條汽車位邊線均觀測2次，2次觀測值取中值后與從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中采集的汽車位邊線尺寸也取2次量測的中值。隨機(jī)選取120條不同位置、不同采集時間的汽車位邊線，以手持激光測距儀獲取的數(shù)據(jù)為真值，以三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)為觀測值，得到的誤差統(tǒng)計如圖5所示。

圖5 誤差統(tǒng)計

經(jīng)分析可知，有116條汽車位邊線較差在0.001～0.009 m之間，另外4條汽車位邊線較差大于1 cm。經(jīng)實(shí)地復(fù)查，系采用傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)時操作不當(dāng)造成的粗差。因此，利用三維激光掃描儀采集的地下汽車位尺寸完全符合房產(chǎn)測量的精度要求。

2.5.3 效率比較

傳統(tǒng)作業(yè)方式與三維激光掃描方式的效率比較見表2。

表2 作業(yè)效率比較

3 結(jié) 語

試驗表明，三維激光掃描技術(shù)在地下汽車位測量中具有可行性、高效性及可靠性。

1）新方法可以提高作業(yè)精度。實(shí)地測量中由于人工操作的不穩(wěn)定性引起精度損失，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集尺寸時，可以通過放大視圖來增強(qiáng)尺寸采集的精度。

2）新方法可以提高作業(yè)效率。按照傳統(tǒng)作業(yè)方法，世紀(jì)城地下汽車位測量在不考慮人員疲勞因素的情況下2名工作人員最快需要20 d才能完成，而采用三維激光掃描技術(shù)2人一星期能完成所有的外業(yè)采集工作，作業(yè)效率大幅度增加。

3）新方法提高成果質(zhì)量。地下汽車位的產(chǎn)權(quán)面積涉及每個業(yè)主的切身利益，不能發(fā)生任何差錯。傳統(tǒng)方法在尺寸測量環(huán)節(jié)、尺寸記錄環(huán)節(jié)和繪圖環(huán)節(jié)均容易出現(xiàn)差錯，利用新方法可以避免這些環(huán)節(jié)的錯誤，從而提高作業(yè)質(zhì)量。

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