基于激光點云數據繪制城市地下民防工程平面圖

高澤遠，謝宏全，王鵬，2，錢鑫，毛斌，孟琪，汪子泃

(1.江蘇海洋大學，海洋技術與測繪學院，江蘇 連云港 222005； 2.南通藍圖測繪有限公司，江蘇 南通 226300)

1 引 言

隨著城市化進程的發展，城市地下空間的開發利用越來越成為熱點話題，地下空間開發大有可為。與地上空間不同的是地下空間光照不足、通視條件差、空間控制網不易于布設等，使得城市地下空間普查是一項比較復雜的測量任務。常規的勘測方法是使用全站儀進行打點測量，但是效率較低，并且采集信息有限[1]。20世紀90年代出現的新型獲取空間數據及信息的地面三維激光掃描技術具有高速、實時、精度高、工作環境要求相對低及全天候工作等特點。同時三維激光掃描儀能夠大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，可以快速、大量地采集空間點位信息[2]。目前三維激光掃描技術正廣泛應用于地下空間測量中。近年來一些學者對基于點云數據繪制地下空間平面圖進行了相關方面的研究，同時也取得了一些研究成果。主要有：馬雪萍等[3]使用FARO Focus3D X330獲取地下人防工程的點云數據，使用CAD 2014生成平面圖；儲立新等[4]利用天寶TX8三維激光掃描儀獲取武進區某地下空間的點云數據，并根據點云數據在CAD中繪制了地下空間平面圖；許洪林等[5]通過江陰市地下空間調查項目設計并驗證了一種基于三維激光掃描技術的地下空間標高點采集方法，能夠有效提高地下空間內業制圖的作業效率；陳岳濤等[6]利用背負式移動激光掃描系統獲取地下停車場的點云數據，使用Cyclone軟件對點云模型制作橫切切片圖，并使用CAD繪制了地形圖。

李效超等[7]利用手持式移動三維激光掃描儀針對地下空間普查進行了應用研究，點云精度能夠滿足城市地下空間普查圖件的繪制要求。

2 激光點云數據獲取與預處理

2.1 激光點云數據獲取

毓秀花園小區位于江蘇海洋大學蒼梧校區二號門北行 1 km處，主要為江蘇海洋大學教師居住，地下民防工程其部分場景如圖1所示。

圖1 地下民防工程部分場景

圖2 導線布設圖

為了保證獲取的點云數據精度滿足要求，經過實地勘察，采用全站儀導線法，并確定了本次的導線布設路線，繪制了草圖(如圖2所示)，設置13個測站點，同時各個點之間相互通視。其中，靶標布設主要考慮復雜點位處的坐標轉換，在布置靶標時應保證能被良好識別，不被物體遮擋且標靶不得布設于一條直線上，同時保持標靶的穩定性和一定的高度差。本次測量步驟包括：

(1)以a點為后視點，2點為前視點，在1處架設儀器，對中整平，然后量取儀器高。在a點架設標靶球，作為后視點。

(2)正式掃描前進行預掃描，低分辨率進行，測試儀器。

(3)預掃描完成后，對結果進行觀察看是否符合要求。若符合則開始正式掃描；不符合，則檢查儀器，重新掃描測試。為了掃描過程的統一及滿足后期繪制 1∶100平面圖的要求選擇全景掃描和中等分辨率進行掃描。

(4)第一個設站點掃描完成后進行遷站，將三維激光掃描儀遷站至2號點，1，3號點放置標靶球，并對儀器進行對中整平及參數設置，進行掃描。

(5)掃描完成后，遷站，重復上一步驟完成掃描。共架設13站，外業數據的采集工作耗時將近 4 h，獲取到包括測區全部區域在內的約1億個三維點。

2.2 點云數據預處理

點云數據預處理步驟一般包括點云拼接、點云去噪、點云統一化。點云拼接是利用標靶將多站掃描的點云拼接成一個整體，使之具有相同的空間參考或控制網坐標系。對于無標靶或標靶不齊全的點云，可采用同名點方式進行拼接[7]。此次測量采用的是全站儀導線法，此方法可適應于較大范圍的掃描工程，導線形式布設比較靈活，操作方法比較簡單，拼接精度高。按照此方法將數據導入Cyclone軟件中，自動拼接數據。

在使用三維激光掃描儀采集激光點云數據過程中，由于地面三維激光掃描儀的精度為毫米級，超高的分辨率使得點云數據的數據量達到GB甚至TB級；同時使用三維激光掃描儀采集點云數據時會進行360°掃描，獲得多次重疊數據，導致測區點云密度分布不均勻。過多的數據以及過高的密度會導致我們對點云數據的計算速度以及點云數據的美觀，因此為了提高點云數據的精度，需要在Cyclone中打開拼接后的點云數據，選擇去噪操作，一一去除地下空間中停留的車輛、人員、雜物，去噪完成后的點云圖像如圖3所示。

圖3 去噪后的部分點云圖像

點云合并也叫點云統一化，也是對點云進行優化的一種處理方式，目的是將整個視圖中的多站點云統一處理為單一的合并點云，統一化處理完成后，點云的瀏覽、選擇等操作都會在原有的基礎上變得更加流暢[8]。點云合并可以選擇Cyclone中的Unify Clouds，設置平均點云空間為 2 cm。

3 平面圖繪制

平面圖的繪制是測繪工作中最重要的一步，一般來說平面圖繪制的結果決定著測繪工作的成功與失敗。本文采用上海華測導航技術股份有限公司的CoSurvey2016軟件進行點云數據成圖處理。

具體的操作步驟如下：

(1)將處理后的點云數據以pts文件類型輸出，利用Autodesk ReCap 2016軟件將格式轉化為rcp文件格式。

(2)將轉化后的點云數據導入CoSurvey2016軟件中，使用高程渲染命令以提高點云圖像清晰度從而能夠準確地發現點云圖像的邊緣來減小誤差。

(3)點擊工具欄的多點一般房屋，選擇一個邊緣的點作為初始點沿著邊緣作出外圍輪廓，曲線部分選擇圓弧并做平滑操作。

(4)因為此次掃描的地下空間承重柱為四方形石柱，故點擊依比例支柱.墩方形來繪制地下空間內的承重柱。

(5)最后將各種地圖元素如框架、比例尺、指北針添加到我們繪制的平面圖中。

(6)平面圖繪制完成后，選擇CoSurvey2016的打印選項來導出PDF格式的平面圖，選擇無點云圖像的平面圖，效果圖如圖4所示。

圖4 繪制完成的平面圖

4 精度評定

為了驗證繪制完成的平面圖的精度。利用型號為GLM7000的BOSCH激光測距儀，選定6條邊，各位置如圖5所示，分別為墻面長度、柱間距離、柱邊長、出口距離、柱與墻面距離等，定義編號A、B、C、D、E、F，同時為了提高測量精度，每個測量長度測量三次取平均值以此來減小誤差。

圖5 平面圖6邊位置距離標注

地下民防工程實際量測與平面圖的部分距離對比 表1

由表1數據分析可得，最大誤差為 0.04 m，其余三個誤差為 0.01 m，兩個誤差為零，所以可以認為此次基于激光點云繪制的平面圖的數據能夠滿足精度要求。

5 結 論

基于三維激光點云數據獲取地下空間的點云數據，并基于點云數據繪制地下空間平面圖是可行的，當然也存在一些問題，如：點云數據量過大；各個軟件可處理的文件類型不同；目標物對激光的反射率不同。但是對照傳統的測繪方法，可以減少測繪人員的外業工作時間和強度；略去了地下空間光亮不足的缺點；獲得高分辨率的點云圖像。同時點云數據和繪制成果可以電子存檔，為后續的城市規劃與建設提供寶貴數據，具有重要的應用價值。