地下空間激光掃描點云精度對比分析

韓文泉，胡伍生，陳 昕，王孟和

(1. 東南大學交通學院，江蘇 南京 210009； 2. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

地下空間激光掃描點云精度對比分析

韓文泉1，2，胡伍生1，陳 昕2，王孟和2

(1. 東南大學交通學院，江蘇 南京 210009； 2. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

利用4種激光掃描設備對地下空間掃描，針對獲得的點云數據，用全站儀測量研究區內特征點三維坐標，統一點云空間參考；并從點云數據中獲取特征點坐標，與測量的三維坐標對比分析。結果顯示：推掃式激光掃描設備比架站式精度略低，最弱方向中誤差為0.128 m，而架站式為0.039 m；用推掃式激光掃描設備對地下空間進行測量，能滿足1∶500數字線劃圖的測量精度要求。

地下空間；激光掃描；點云；精度對比

隨著人類工業化進程的不斷加快、城市化水平的提高、城市人口的迅速增長，現代大城市，特別是城市中心區域都不可避免地出現了城市化進程快速推進與有限土地資源之間的矛盾，地面土地資源并不能最大限度地滿足城市發展的需求[1]。地下空間的開發利用已成為人類生活空間的新拓展，地下空間開發利用和管理越來越重要[2]。為了配合地下空間的開發和利用，許多城市已經開展了地下空間的普查、測繪和建立地理信息數據庫的工作[3]。例如，上海已經查明，截至2011年底，全市具有一定規模的地下工程共3.1萬多個，總建筑面積約5699萬m2[4]。南京市由人防、規劃、測繪等多部門參與，于2015年開始指定地下空間數據標準和開展試驗工作。常州市武進城區地下空間數據測繪項目主要采用全野外數字化法進行成圖，主要包括地下建(構)筑物的測繪定位、屬性調查，以及地下建(構)筑物的數字化與數據入庫等工作[2]。

開展地下空間普查等工作，通常采用3種測量技術[5]：①全站儀測量技術，控制測量、聯系測量及碎部測量；②激光測量技術，主要對地下空間掃描；③竣工圖紙技術，是成本最低的方法。胡俊等對地下空間地籍調查方法進行了探討[6]；劉海飛等探討了地下空間中測繪技術[7]；而陳勇等研究了三維激光掃描技術在地下空間設施普查測量中的應用[8]。相比較而言，激光測量技術最為先進，但也最不成熟。李永強等研發了地下空間移動激光測量系統[9]；馬志等研究了地下空間掃描多站拼接及標定技術[10]，以及儲備激光掃描在地下空間的應用技術。特別是移動式掃描(SLAM)設備的推出，比傳統架站式掃描更快，精度狀況卻說法不一。本文針對這一問題，對新興的激光掃描技術手段進行測試，比較分析獲得數據采用的方法、設備等有關精度的技術指標在南京市地下空間普查活動中的適宜性。

王玉鵬等用室內標定場對地面三維激光掃描點位精度進行了評定，認為在實際測量環境下ScanStation2型掃描儀的點位精度在距離為40 m時為±4.7 mm，符合廠家給出的±6 mm/50 m的精度指標；在距離為80 m時為±6.3 mm，這也符合大部分建筑物建模的精度要求[11]。齊建偉等研究了三維激光掃描測量系統對標靶的重復掃描測量精度，認為其內符合精度優于1 mm[12]。王俊杰通過試驗證明，Trimble GX 三維激光掃描儀在200 m的距離點位最大誤差可以達到17.9 mm[13]。丁建勛等用FaroFocus3D 掃描儀精細化掃描了墻面的靶標，靶標的掃描坐標成果與全站儀實測坐標相比，最大相差2.6 mm，最小相差0.3 mm[14]。綜合以上研究，不同設備采用不同的方法，獲得的結論不同。因此，在地下空間測繪中大面積采用激光掃描的方法之前，有必要對不同激光掃描方式獲得的激光點數據精度作進一步分析，對使用激光掃描方式進行地下空間信息采集具有指導意義。

1 研究區概況

本次研究區為南京市測勘院地下部分停車場的三維空間，占地面積約為1417 m2，最長邊約69 m，最大凈高4 m多，呈多邊形立體分布。地下停車場包括出入口、場內設備設施、標線等。平面頂視圖如圖1(a)所示。其中，邊線為地下停車場范圍線，左下部分與其他部分相連，左上側為出入口；黑色圓點為測量的控制點位和特征點。

圖1

2 數據采集

2.1 控制測量

2.1.1 地下控制測量

控制測量按如下原則：通過聯系測量傳遞到地下的坐標、方位、高程作為地下控制測量的起算數據。當地下控制測量的精度要求高于地面控制測量時，可只使用一個傳遞點的坐標、一個定向邊方位值和一個點的高程值，其他傳遞的數據不參與平差計算。地下平面控制測量宜采用全站儀導線測量方法進行。導線測量精度等級分為四等、一級、二級、三級和圖根級。四等、一級、二級、三級導線測量的主要技術及觀測要求應符合相關規定，圖根級導線測量的技術要求應符合參考文獻[15]的規定。

本研究采用閉合導線加支導線的方式進行圖根控制點的測量，在測區布設了3個閉合導線點和1個支導線點。每個測量控制點精度要求為：①平面位置中誤差不得大于3 cm；②高程中誤差不得大于5 cm；③凈空高測量中誤差不得大于3 cm。地面上平面控制點相對于起算點的點位中誤差不應大于2 cm，地面高程控制點相對于起算點的高程中誤差不應大于2 cm。

2.1.2 特征元素測量

2.1.2.1 特征點

在停車場出入口、墻面上、地面上、場內頂面上布設特征點，要求布設標靶或采集明顯特征點，并測量其坐標。如圖2所示。

圖2 特征點測量

2.1.2.2 特征線

在停車場出入坡道上、墻面上、地面上、場內頂面上布特征線，可以使用已經布設的特征點的連線，要求兩點構成直線，或者采用已有的明顯標志，并且測量各節點坐標。

2.2 布設標志

在掃描儀作業之前，在車庫里面墻上布設用A4紙打印的黑白標靶，樣式如圖2(b)所示。標靶高度距地面約1.800 m。標志主要分布在車庫四周的墻上和中間的支柱上，呈均勻分布，其中一部分用來作為控制點進行坐標轉換，另一部分作為檢查點測量成果精度。

布標的另一個作用是連接測站之間的激光點，若架設測站位置不適合用平面標靶，在數據采集時使用臨時可移動的三維標靶，連接測站之間的激光點。

2.3 激光掃描

對停車場整個空間進行掃描和拍照，包括與地上的連接部分。根據控制測量成果，獲取實地空間位置的三維點云和影像。由于地下空間比較暗，照片基本不能直接使用。本次研究采用的掃描設備有4種：徠卡架站式P20、徠卡背包、Z+F架站式5010C、華泰天宇的iMS3DⅠ代推車。其中，P20架設6站，共獲得47 058 413個激光點；Z+F 5010C架設13站，共獲得117 305 250個激光點；徠卡背包使用了慣導設備，共獲得11 265 550個激光點；iMS3D只掃描了車庫平的部分，獲得32 031 289個激光點。獲得的點云分布如圖3所示。為了顯示清楚，點云經過了抽稀，由于Ⅰ代設備不帶慣導，在入口處沒有采集數據。

圖3 掃描點云分布

3 成果精度對比

3.1 坐標系統轉換

架站式激光掃描儀和不帶慣導的激光掃描推車，采集的成果為任意坐標系下坐標；而徠卡背包設備在地下空間掃描之前需要接收衛星信號，獲得的是WGS-84坐標，在成果比較之前，需要轉換到統一的坐標系中。本次研究利用同一坐標成果的同一組控制點轉換坐標系統，最終的坐標系統采用南京92地方坐標系、吳淞高程。激光點云成果利用這些控制點，采用四參數，轉換平面坐標，再利用控制點擬合高程值到吳淞高程。具體采用的方法為：①對于架站式激光掃描儀，首先利用硬件自帶的軟件，拼接所有站點云數據為一整體；再根據控制點，用數學方程轉換平面坐標；最后根據明顯高程點轉換高程基準到吳淞高程。②對于推車式激光掃描儀，首先利用硬件自帶的軟件，解算激光點云數據的坐標；再根據控制點，用數學方程轉換平面坐標；最后根據明顯高程點轉換高程基準到吳淞高程。③對于有POS系統的掃描設備，首先利用硬件自帶的軟件，解算掃描軌跡線和點云數據WGS-84下的坐標；利用WGS-84與南京92坐標系的轉換關系，使用專用程序直接把WGS-84下的坐標轉換成為南京92坐標和吳淞高程。

3.2 成果精度對比分析

3.2.1 獲得點云特征點

在TerraSolid軟件的前視圖中，用強度信息渲染獲得的激光點數據，可以獲得標靶的圖像。若沒有提供強度信息，則用RGB顏色渲染。具體圖像如圖4所示。架站式激光掃描儀可以獲得比較清楚的人工標靶圖像，特別是Z+F激光掃描儀可以清晰辨認標靶的標號數字；而徠卡背包能夠基本獲得標靶的圖像，可以確定標靶中心的坐標。

另外，盡量獲得測量的建筑特征要素特征點處的點云坐標。對于密度較大(400+點/m2)的激光掃描，可以直接捕捉特征點處的坐標；對于密度較小的激光掃描，采用擬合線特征相交的方法獲得特征點處的坐標。若以上兩種方法還不能獲得特征點的點云坐標，則放棄這樣的點。

3.2.2 特征點坐標對比分析

使用全站儀一共測量了74個地物或標靶的特征點，主要分布在車庫四周墻上、頂面橫梁與墻的交角、支撐立柱的側面或棱角處，以及頂面通風口的拐角等特征點處。由于各掃描設備架站或行走的路徑不同，有些點受汽車的遮擋，不能獲得有效的特征點位坐標。對于墻上人工布標點，有些掃描不能獲得可判讀的信息，也會失去部分特征點坐標的提取。特征點坐標是根據掃描的點云對掃描點處或附近(小于1 mm)直接提取點本身的坐標，對于特征點附近沒有激光點而通過點云渲染圖可以識別特征點的情況，采用特征相交法獲得點云坐標。具體特征點坐標對比結果見表1。

3.2.2.1 特征點數量

以徠卡P20設備對比的36個特征點為基準，Z+F 5010C由于有一個點被汽車擋住，沒有掃描到。而徠卡背包和iMS3DⅠ主要是因為掃描點云在特征點處非常稀少或根本就沒有點，不能描述特征點的坐標，使得徠卡背包只有29個點，iMS3DⅠ只有24個點。這也說明對于特征點的精細識別，iMS3DⅠ最弱，徠卡背包稍好一些。

3.2.2.2 坐標殘差均值

坐標殘差均值能夠反映殘差中是否還有系統誤差存在，判斷標準根據設備數據采集的原理和性能不同而定。從對比結果看，徠卡背包具有參加比較設備最大的殘差平均值+0.042 m(X方向)，由于該設備是使用POS系統獲得的測量坐標，因此筆者認為這樣的殘差值在合理的范圍之內，不屬于系統差。而參加比較的其他設備，幾乎都在0.020 m之內，屬于合理的范圍。

3.2.2.3 中誤差

中誤差反映了測量點與期望真值的偏離程度。本次研究除了徠卡背包使用POS系統直接獲得激光點云坐標之外，其他的3種設備都用測量的控制點進行的轉換坐標。而徠卡背包獲得的坐標成果，也使用了同樣的控制點進行系統差消除處理。因此，可以認為4種設備使用了同一技術規則進行對坐標真值的解算，是可以比較中誤差的。從對比的結果來看，徠卡背包的高程方向最弱，為0.128 m。iMS3DⅠ的X方向最弱，為0.115 m。根據參考文獻[9]，滿足1∶500數字線劃圖精度要求。

3.2.3 線段長度對比

用激光點特征點計算的線段長度與實際測量的長度比較，可以分析使用激光掃描采集數據的長度變形情況。根據掃描的車庫形狀，抽取出4橫4縱共8條線段比較分析，具體情況見表2。

表2 線段長度對比表

表2顯示了激光點云獲得的線段長度與全站儀測量的長度對比結果：徠卡背包絕對較差最大，為0.155 m；Z+F 5010C絕對較差最小，為0.051 m；而對于相對較差而言，iMS3DⅠ最大，為0.73%；Z+F 5010C最小，為0.24%。

3.3 對比結果分析

無論是特征點坐標還是線段長度的精度對比結果，靜態的激光掃描(Z+F 5010C、徠卡P20)比動態的激光掃描(iMS3DⅠ、徠卡背包)精度高。結果說明，基于激光掃面的特征點位置精度受激光點的掃描方式、密度等因素的影響，靜態掃描精度高于動態掃面精度，但都能滿足地下空間三維地理信息獲取的需求。

4 結 語

本研究主要比較分析了4種激光掃描儀對同一目標掃描點云數據的精度。結果表明，可以用推掃式激光掃描設備采集地下空間位置，雖然精度比架站式低，但掃描效率高。本次掃描區域不大，可以嘗試更大、更復雜的空間范圍，將有利于深入比較各種設備性能，研究激光掃描地下空間的工藝流程。

致謝：特別感謝對本次研究提供設備支持的南京航空航天大學、徠卡公司(武漢)、上海華測公司、北京華泰天宇公司。

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AnalysisonthePrecisionofLaserScanningPointCloudinUndergroundSpace

HAN Wenquan1,2，HU Wusheng1，CHEN Xin2，WANG Menghe2

(1. School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210009,China；2. Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co. Ltd.，Nanjing 210019，China)

The point cloud data of underground space were acquired with four kinds of laser scanning devices，and three-dimensional coordinates of the feature points in the area were measured with the total station. All data used unified spatial reference. The three-dimensional coordinates of feature points were obtained from the point cloud data separately. The analysis of two measurements showed that the accuracy of position using mobile scanning device was slightly lower than using static one，the mean square error was 0.128 m in the weakest direction，on the contrast the static was 0.039 m.The measurement precision of 1∶500 DLG can be obtained by the mobile laser scanning device in the underground space.

underground space; laser scanning; point cloud; precision comparison

2017-03-20

國家自然科學基金(41574022)；江蘇省科技支撐工業計劃(BE2014026)；江蘇省測繪地理信息科研項目(JSCHKY201606)

韓文泉(1974—)，男，博士，高工，主要從事三維地理信息和激光掃描數據處理工作。E-mail：lidar_hwq@163.com

韓文泉，胡伍生，陳昕，等.地下空間激光掃描點云精度對比分析[J].測繪通報，2017(12)：72-76.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0382.

P237

A

0494-0911(2017)12-0072-05