移動式三維激光掃描儀在地下管廊測量中的應用

檀繼猛，張鵬飛，邵士成，劉秀涵

(1. 濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250013； 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京 100043)

近年來，隨著中國經濟的快速發展及智慧城市的建設，我國城市地下的開發利用已經達到了空前的規模[1-2]。為了實現對城市地下管網的可視、可管、可控，需要利用數字化測量手段對城市地下管線數據進行普查測繪，逐步實現對城市地下管網的智能化監控[3]。

近幾年備受關注的三維激光掃描技術突破了傳統測量中單點測量的模式，能夠快速獲取物體表面的三維點云數據，具有高效率、高精度、非接觸式主動測量等優勢[4-7]。本文采用基于SLAM技術的移動式三維激光掃描儀對地下管廊進行測量，利用Trimble Realworks軟件對管線數據進行后處理，分類提取管道的特征點數據，最后輔以全站儀常規測量手段對其精度進行可靠性驗證。

1 測區概況

測區位于山東省濟南市福地街旁某地塊，應業主要求進行地下管線測量工作，由于地形復雜、資料不全等原因，地下綜合管廊的地理信息數據基本沒有，在實地調查中發現管廊中包含電力、電信、給水、熱力等管線，且管廊一端連通排污管溝，污水遍布，氣味難聞，常規設備如GPS、全站儀等無法進行使用，而且測繪人員無法在其中久待，如果采用物探設備勘測，因資料缺乏，排水溝的走勢方向都不清楚，無法高效作業且精度不高，容易錯測漏測，采用開挖方式成本又太高。基于此種現狀，決定采用移動式三維激光掃描儀進行外業數據采集，以最大限度地呈現管廊的現狀。

2 移動式三維激光掃描

2.1 GEOSLAM ZEB-REVO移動掃描儀

ZEB-REVO采用手持移動掃描的方式便可實現對小空間及大空間進行高精度高效率的掃描作業，打破了傳統移動掃描觀念。在作業過程中便可實時自動處理掃描數據，使得管線測量工作更輕量化和簡單化，為地下空間、礦山巷道等方面提供最有效的解決方案。

2.2 控制測量

為了使三維激光掃描儀的成果與工程所需坐標基準一致，需要在地下管廊所處位置的地面布設足夠密度和精度的控制點，結合實地地形條件和地下管廊的位置情況，本次掃描采用基于目標的配準方案，控制點分兩組布設，分別位于地下管廊起始兩端的地面位置，控制點需要保證空曠且與地下管廊有聯通，控制點呈銳角三角形分布，點間距離至少10 m。本次控制點布設采用了濟南市CORS網絡RTK進行控制測量，外業掃描前，在控制點上架設球形標靶。如圖1所示，共布設6個控制點，其中C1、C2、C3布設在地下管廊出口位置附近地面，C4、C5、C6布設在地下管溝起始位置所在地面。

2.3 掃描作業

為了保證掃描作業的順利進行，必須在掃描前對地下管廊進行現場踏勘，確定掃描路線。在線性掃描環境中，通常采用多任務全局拼接的方法，選擇特征點較多的區段作為前后兩次掃描任務的拼接控制區，通過控制區將點云“首尾相連”地拼接起來。

選擇合適的單次掃描距離是保證掃描質量的關鍵。考慮到本次需掃描的地下管廊長度在200 m左右，為了滿足測量的精度要求，需要將每次掃描時間控制在15 min以內，故將本次掃描工作分為8次掃描任務，根據地下管廊現場環境確定前后兩次掃描重合區域，保證兩次掃描具有一定的掃描重疊度，根據筆者掃描經驗，掃描重疊區域需要保證15～20 m。

3 數據的處理與應用

3.1 點云配準

采用分段掃描時，每次掃描任務所獲取的點云屬于不同的參考坐標系，因此需要將多次掃描的點云進行配準，并轉換到統一的坐標系統中，從而將點云拼接成一個三維整體的過程，這就是點云的配準[8]。常用的點云配準方法包括基于點云的配準和基于目標的配準。

基于點云的配準方法即根據同名特征(重疊掃描區域)三維信息的ICP配準法，根據點間距平方和最小的原則，對兩次掃描過程中重疊掃描的點進行不斷迭代，尋求最佳轉換矩陣，實現點云配準[9-10]；對點云進行配準后，可對配準結果進行質量檢查，以3 cm為誤差限值，配準重疊率至少70%，若超過限值則需要重新配準，直至滿足精度要求。

基于目標的配準方法是在測區布設多個標靶，通過掃描儀獲取至少3個標靶的點云信息，掃描完成后通過擬合標靶處三維點云的中心點作為掃描標靶的中心，對其賦予實際坐標，即可完成點云配準，實現地理坐標轉換。配準后的地下管廊點云如圖2所示。

3.2 數據去噪

在對地下管廊中的掃描過程中，不可避免地會將地面堆積物、電纜等不必要的信息包含在點云內部，這將會對點云的配準精度、可視化及三維建模產生影響，因此需要對原始數據進行優化。

利用Trimble Realworks軟件對配準重合區域進行單點少量去噪，增加點云配準精度；運用軟件的區域分割功能，將多余的無意義的掃描數據進行剪切剔除，增加點云的可視化效果；對需要建模的區域則采取單點少量去噪，剔除地下管道周邊的噪點，以便對管道進行三維建模。

3.3 數據重采樣

由于采取分段掃描的模式獲取數據，相鄰兩次掃描任務之間有一部分重疊區域，在數據拼接過程中會造成數據冗沉，影響作業效率，因此有必要在不影響數據精度的情況下，對點云進行重采樣。利用Trimble Realworks軟件中“取樣”工具，根據測區情況和點云的完整情況選擇取樣模式，設置某一取樣閾值，經過重采樣后生成新的點云數據。

本次數據重采樣采用基于空間的取樣模式，選擇10 mm的采樣間距，經過重采樣處理，既保留了原有地下管廊及管道的結構特征，又消減了數據存儲空間，提高了作業效率。

3.4 分類提取

根據項目總體需求，在點云模型的基礎上需要對地下管廊中的管線特征點進行分類提取，生成帶有地下管線屬性和空間位置的數據。對地下管廊內部的管線進行分類，以“高度階化色彩”渲染顯示點云,使得不同位置的管線更易于區分，再對不同管線進行分類標注。如圖3所示，采用Trimble Realworks軟件的“特征集”功能提取管線點數據，根據管線種類建立特征集數據庫，新建管線特征碼，對不同管線特征點進行分類提取。管線數據成果以ASC格式進行輸出，通過更改文件格式導入CASS軟件或EPS軟件中繪制管線圖。

3.5 精度分析

為了驗證該方法結果的可靠性，利用全站儀選取部分地面驗證點進行驗證。三維激光掃描儀采集得到的點云中拾取驗證點的坐標數據，并與全站儀測量數據進行比對，特征點坐標對比結果見表1，其中序號1、10為控制點處的球靶中心點，序號2、3為地下管廊北出口與地面連接處的明顯特征點，序號4、5、6、7、8、9均為地下管廊與地面連接的豎井的井蓋中心點。

表1 全站儀與三維激光掃描儀測量點位坐標對比

注：因數據保密需要，表中坐標已進行加密處理。

由表中數據可知：驗證點在X方向上的坐標較差的最小值為0.01 m，最大值為0.138 m；Y方向上的坐標較差的最小值為0.011 m，最大值為0.133 m；Z方向上的坐標較差的最小值為0.01 m，最大值為0.1 m，滿足本次工程的測量精度要求。

4 結 語

本文利用移動式三維激光掃描技術和傳統測量方法對地下管廊測量進行了對比試驗研究，研究結果表明：移動式三維激光掃描技術具有全站儀無可比擬的優勢，能夠全面地反映管線的表面特征，解決了傳統方法在地下管廊測量中的不足，不僅保證了測量精度，而且大大提高了作業效率。本文通過實際項目對移動式三維激光掃描技術應用于地下管線測量進行了研究，為今后的城市地下空間測繪提供了作業依據，也推動了移動式三維激光掃描技術在工程測量、古文物保護、三維數字城市建設等領域的應用。