三維激光掃描在地下空間測繪中的應(yīng)用

紀(jì)思源，談嶸，蒲樺軍

(常州市測繪院，江蘇 常州 213000)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市土地利用資源越來越少，地下空間的開發(fā)利用已成為人類生活空間的新拓展，地下空間開發(fā)利用和管理越顯重要[1]。地下空間測繪主要包括：地下構(gòu)(建)筑物的測繪定位、屬性調(diào)查、地下構(gòu)(建)筑物的數(shù)字化與數(shù)據(jù)入庫等工作[2]。

2 研究現(xiàn)狀

地下空間測量主要采用以下3種測量技術(shù)[3]：

(1)全野外實(shí)測法：控制測量、聯(lián)系測量和碎步測量等；

(2)地下空間竣工圖紙標(biāo)繪法，是成本最低的方法；

(3)三維激光掃描法，通過激光掃描方法獲取地下建(構(gòu))筑物的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

目前地下空間測繪最常用的方法是通過第一種與第二種技術(shù)的混合作業(yè)方法，通過平面控制測量，獲取地下空間特征點(diǎn)，利用地下空間竣工圖紙核對細(xì)節(jié)?？紤]到地下空間作業(yè)環(huán)境較暗、特征點(diǎn)較多情形，該方法無法實(shí)現(xiàn)所有要素?cái)?shù)據(jù)采集；當(dāng)?shù)叵驴臻g發(fā)生變動時，無法及時體現(xiàn)在竣工圖紙上面，易出現(xiàn)漏繪、錯繪現(xiàn)象；地下空間竣工圖紙標(biāo)繪法直接使用圖紙進(jìn)行描繪，最終成果不是具有絕對坐標(biāo)的產(chǎn)品，無法和周圍地形相匹配和重復(fù)利用；三維激光掃描法被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，能夠高速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)，可以快速大量地采集空間點(diǎn)位信息[4～6]，彌補(bǔ)以上兩種方法的不足，且在地下空間測繪中，已有部分學(xué)者對此展開研究。

李永強(qiáng)[7]等采用移動測量系統(tǒng)，使用線陣激光掃描儀、高精度IMU和里程計(jì)，結(jié)合標(biāo)靶進(jìn)行糾正實(shí)現(xiàn)地下空間快速測量，受激光點(diǎn)的掃描方式、密度因素影響，采用移動式掃描系統(tǒng)精度低于地面靜態(tài)掃描特征點(diǎn)精度[8]。馬志[9]等研究了地下空間多測站點(diǎn)云拼接和標(biāo)定技術(shù)；齊建偉[10]等認(rèn)為使用三維激光掃描儀對標(biāo)靶重復(fù)掃描時，內(nèi)符合精度優(yōu)于 1 mm；考慮到地下空間測量中無GPS信號，陳勇[8]等分別采用后視定向和首末標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將各測站激光點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系，在特征點(diǎn)處的精度，后視定向方法優(yōu)于首末標(biāo)靶點(diǎn)測量方法，在作業(yè)時后視定向方法需要布設(shè)導(dǎo)線，外業(yè)測量時需將儀器和標(biāo)靶架設(shè)在已知點(diǎn)，降低了作業(yè)效率，增加了限制條件。

綜合考慮精度需求和作業(yè)效率等因素，本文采用地面激光掃描測量系統(tǒng)，僅在地下空間出入口布設(shè)控制點(diǎn)，測站之間采用2個公共標(biāo)靶拼接的作業(yè)方法，驗(yàn)證此作業(yè)方法在地下空間測量中的實(shí)用性和有效性。

3 地下空間測量方法實(shí)驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描儀配備雙軸自動補(bǔ)償裝置，在外業(yè)測量時，整平后，可默認(rèn)豎軸指向不變，針對掃描區(qū)域較小，站間距較短，可認(rèn)為測站間豎軸指向一致和尺度縮放因子不變，儀器整平后，在測站間可使用一種基于2個公共點(diǎn)的簡單拼接模型，改變目前標(biāo)靶拼接至少需要3個公共特征點(diǎn)的問題，提高外業(yè)作業(yè)效率。

考慮到地下空間設(shè)施有多個出入口，在出入口可利用網(wǎng)絡(luò)RTK布設(shè)控制點(diǎn)，在地下空間設(shè)施內(nèi)部，測站間通過標(biāo)靶傳遞拼接，統(tǒng)一基準(zhǔn)，最后拼接到具有所需坐標(biāo)系統(tǒng)的測站。圖1所示為地下空間內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)和拼接后具有統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的完整點(diǎn)云：

圖1 掃描點(diǎn)云

內(nèi)業(yè)處理采用Cyclone(9.1.6版本)軟件進(jìn)行測站拼接、濾波和去噪處理；使用cloudworx插件將Cyclone軟件中的點(diǎn)云導(dǎo)入AutoCAD 2016進(jìn)行切片處理、使用常州市測繪院自主研發(fā)的Map2012智慧空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化加工，制作具有地理信息要素的測繪產(chǎn)品。

各測站拼接精度如圖2所示：

圖2 基于2個公共標(biāo)靶拼接精度

本次作業(yè)共測量5站，其中js3和3-1為布設(shè)的控制點(diǎn)，t1、t2、t3、t4、t5、為測站間傳遞的標(biāo)靶，測站內(nèi)部拼接精度優(yōu)于 6 mm，轉(zhuǎn)換至絕對坐標(biāo)系的拼接精度為 1.7 cm。

點(diǎn)云拼接完成后，需對點(diǎn)云數(shù)據(jù)深加工，繪制具有地理信息要素的測繪產(chǎn)品，具體操作如下：

(1)將點(diǎn)云通過cloudworx導(dǎo)入AutoCAD中，沿xoy平面截取具有一定厚度的點(diǎn)云，建議截取 2 mm以內(nèi)厚度點(diǎn)云，降低冗余數(shù)據(jù)干擾，如圖3所示：

圖3 切片后點(diǎn)云

(2)利用Map2012平臺對點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)字化深加工，繪制具有屬性信息的地下空間測繪產(chǎn)品，Map2012平臺地下空間模塊共分為5部分：地下空間總范圍面、地下空間分層范圍面、地下空間內(nèi)部線面、地下空間點(diǎn)符號、地下空間注記，如圖4所示：

圖4 map2012地下空間內(nèi)業(yè)處理軟件

圖(4)中(f)即為繪制的具有屬性信息的地理信息產(chǎn)品。

3.2 精度分析

根據(jù)《城市測量規(guī)范》可知，地下空間建(構(gòu))筑物測繪精度要求如表1所示：

地下空間建(構(gòu))筑物測繪精度要求[11] 表1

試驗(yàn)精度對比分析采用全站儀和三維激光掃描儀采集相同特征點(diǎn)進(jìn)行比對分析，如表2所示，高程比對選取20個特征點(diǎn)，高程最小偏差 3 mm，最大偏差 19 mm，滿足地下空間精度要求。

三維激光掃描與全站儀測量高程精度分析表 表2

經(jīng)計(jì)算，高程中誤差為：δH=0.011 m，滿足表1規(guī)范要求。

平面精度比對時選用相同位置的特征點(diǎn)，將三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取的特征點(diǎn)與相同位置處全野外實(shí)測采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，平面精度比對結(jié)果如表3所示：

點(diǎn)位精度比對分析表 表3

續(xù)表3

注：以上數(shù)據(jù)經(jīng)過加密處理

經(jīng)計(jì)算，點(diǎn)位誤差：δX=0.029 m，δY=0.034m，δ=0.045 m，滿足表1規(guī)范要求。

4 工作效率情況

試驗(yàn)選擇的地下空間面積約15 000 m2，分別采用全野外實(shí)測法和三維激光掃描法進(jìn)行作業(yè)效率比對，比對結(jié)果如表4所示：

作業(yè)效率比對(單位/天) 表4

通過全野外實(shí)測方法作業(yè)時共需要3.75天，三維激光掃描法需要2.25天，作業(yè)效率比全野外實(shí)測法節(jié)省了1.5天，提高了外業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

5 結(jié) 語

三維激光掃描儀通過標(biāo)靶把各測站拼接在統(tǒng)一坐標(biāo)系，通過在首末控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法能夠滿足地下空間設(shè)施測量的精度要求，在沒有進(jìn)行平面控制測量的前提下，驗(yàn)證了該作業(yè)方法的有效性。