Riegl三維激光掃描系統數據自動拼接的研究

■周建濤（長安大學地測學院陜西西安710064）

Riegl三維激光掃描系統數據自動拼接的研究

■周建濤
（長安大學地測學院陜西西安710064）

地面三維激光掃描系統有著非接觸、快速、精確、詳細等特點，但現有手動尋找公共標靶的拼接方法費時費力。本文介紹了三維激光掃描系統的基本工作原理、坐標系間轉換和拼接方法分類，另外通過實例介紹了RiSCAN PRO軟件自動拼接方法的優越性。

地面三維激光掃描系統坐標系轉換自動拼接

1　引言

地面三維激光掃描系統作為一門新興的測繪技術，集合多種高新測繪技術于一體。它屬于主動型非接觸式測量系統，所獲取點云數據具有精度高、速度快、密度大、無接觸等特點，且包含真彩色信息和紋理信息，使目標表面信息表達更加的逼真，因此又被稱為“實景復制技術”。三維激光掃描系統已經在文物保護與修復、變形監測、數字城市、礦山測量等眾多領域里有著非常廣泛的應用。

拼接是點云數據處理過程中的重要環節，而且影響后面數據建模的精度。現有拼接方法多以手動尋找同名標靶，拼接效率低下。本文通過對某廣場實地掃描，在介紹三維激光掃描系統的基本工作原理的基礎上，重點介紹了RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統的軟件自動拼接方式。

2　工作原理

目前，地面三維激光掃描系統以采用脈沖激光測距為主要工作方式，以無接觸式高速激光測量獲取目標物體表面陣列式幾何圖形的三維點云數據。通常來講，地面三維激光掃描系統由掃描儀、數碼相機、后處理軟件以及附屬設備構成。通過儀器內部精密時鐘測得發射和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目標到儀器中心的距離S。掃描裝置同步測得掃描線的水平方向角度α和垂直方向角度θ。測站坐標系（SOCS)采用的是局部右手坐標系，以儀器中心為坐標原點，X、Y軸在同一水平面，Y軸一般是掃描儀的掃描方向，Z軸垂直于水平面。

3　數據采集

首先確定掃描的目標區域以及其周圍環境，再考慮目標物被遮擋情況，然后針對掃描目標的大小、位置及所需獲取的重點屬性確定測站數和位置。本次實驗共布置了四個掃描站點，以完整的表現廣場上的石柱的外觀。

圖1　各坐標系轉換關系

4　點云數據拼接

在數據采集過程中，我們在保證所獲取掃描目標的點云數據完整性的情況下盡可能的布置最少的測站數。所掃描的點云數據都處在以當前測站坐標系（SOCS)中。點云數據拼接就是將每站掃描獲得的點云數據統一到同一工程坐標系（PRCS)中。一般情況，當掃描對象區域長度大于10km時需要建立全局坐標系（GLCS)。如圖1，該掃描項目有共N個測站,點云數據拼接就是將這個N個不同測站坐標系轉換到建立的工程坐標系中。

RiSCAN PRO是RIEGL三維激光掃描儀附帶的軟件。操作者可以完成大量的工作，包括儀器配置、數據采集、數據可視化、數據處理和數據存檔。每一站的SOP信息（測站的方向和位置）存儲于一個4×4矩陣Msop中，矩陣包含9個旋轉參數和3個平移參數。

拼接的形式分為兩類：①相對方式，以某一測站坐標系為起始基準，相鄰測站的坐標系轉到該站坐標系下并以此坐標系作為新的基準，以此類推，不斷尋找公共部分。②絕對方式，以全站儀、GPS RTK等常規手段獲得標靶的絕對坐標，拼接時各測站掃描數據直接統一到絕對坐標中。本實驗數據采集時未設置標靶片，分別采用手動拼接和自動拼接的相對方式進行點云數據拼接：

（1）手動拼接；在RiSCAN PRO中手動尋找點云數據中不同測站的3個公共特征點，并標記為同名標靶以最小二乘法計算SOP值。結果石柱出現“分層”現象。

（2）自動拼接；RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統中自帶磁羅盤和GPS模塊，每一測站采集的點云數據偏離距離較小，圖2表示兩測站掃描的同一根柱子。首先是創建新的特征數據，本次實驗使用的提取平面法線的方法。固定第一站坐標系，計算第二測站的SOP值，將拼接結果作為基準進行下一測站并以此類推。拼接結果如圖3所示，計算拼接誤差是0.0036m。

圖2　拼接前點云

圖3　拼接后點云

5　總結

本文通過RiSCAN PRO軟件自動拼接方法對廣場石柱掃描，數據處理簡單且拼接精度滿足要求。因為在數據采集中不需要布置標靶，外業采集時間得到大大縮短。實驗結果表明手動拼接人機交互依賴性強且拼接精度差，只能作為粗拼接使用。研究提高點云數據拼接精度的方法，簡化數據后處理過程，三維激光掃描系統才具有更大的應用潛力。

[1]梅文勝,周燕芳,周俊.基于地面三維激光掃描的精細地形測繪[J].測繪通報, 2010,01:53-56.

[2]高珊珊.基于三維激光掃描儀的點云拼接[D].南京理工大學,2008.

[3]王旭,王昶.Riegl VZ-400三維激光掃描儀數據的建模的研究[J].北京測繪, 2013,02:55-57.

O348.11[文獻碼]B

1000-405X（2016）-1-207-1

周建濤，男，碩士研究生。