基于三維激光掃描技術(shù)的空間坐標(biāo)傳遞測(cè)量及工程應(yīng)用

胡玉祥，李勇，張洪德，尹相寶1，，孟慶年

(1.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266000； 2.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)近幾年發(fā)展異常迅速，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式，能在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)的點(diǎn)，以點(diǎn)云的形式表達(dá)三維空間的幾何形態(tài)，同時(shí)還可以采集高分辨相片，形成物體的三維正射影像，再現(xiàn)物體的真實(shí)三維形態(tài)[1，2]，其測(cè)量成果不僅包含空間坐標(biāo)信息，還包含反射率等物理信息，通過不同測(cè)站三維點(diǎn)云的拼接、匹配，可實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的傳遞，對(duì)空間坐標(biāo)的有效傳遞提供了一種新的思路。

傳統(tǒng)三維空間傳遞的方法是使用導(dǎo)線測(cè)量或者聯(lián)系測(cè)量的方式進(jìn)行。導(dǎo)線測(cè)量是通過斜井布設(shè)導(dǎo)線一站一站地將平面坐標(biāo)引測(cè)到地下，高程則采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方式引測(cè)。聯(lián)系測(cè)量通常分為兩井定向和一井定向，兩井定向精度較高，對(duì)井口直徑?jīng)]有特殊要求，但實(shí)際工作中往往不具備做兩井定向的條件；一井定向通過懸掛鋼絲組成聯(lián)系三角形將平面坐標(biāo)和方位引測(cè)到地下，但其對(duì)井口直徑以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件要求較高。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)不具備一井定向條件，且精度要求不是很高的項(xiàng)目，采用聯(lián)系測(cè)量方式甚至無能為力。青島連云港路地鐵勘探現(xiàn)場(chǎng)鄰近某地下電力管廊，為防止勘探過程中對(duì)電力管廊可能造成的破壞，需要測(cè)定地下電力管廊的平面位置和埋深，即管廊的三維空間位置；其中重要的工作便是將地面三維坐標(biāo)引測(cè)到地下。受電力井作業(yè)半徑和深度限制，采用傳統(tǒng)聯(lián)系測(cè)量三維坐標(biāo)引測(cè)方式不可行。針對(duì)此問題，本文借助三維激光掃描儀，在井口布設(shè)專用掃描標(biāo)靶，井下掃描井口標(biāo)靶，巧妙地將地面三維坐標(biāo)引測(cè)到地下；通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取電力管廊的平面圖和剖面圖，有效獲取管廊平面位置和埋深，為類似工程提供了良好的借鑒。

2 外業(yè)掃描及數(shù)據(jù)處理

2.1 工程難點(diǎn)及策略

青島地鐵地質(zhì)勘探臨近一電力管廊，由于歷史原因，該管廊沒有歷史資料可用。為了防止勘探對(duì)該電力管廊可能造成的破壞，需要準(zhǔn)確測(cè)定該管廊的三維空間位置，以便制定合理、有效的鉆探方案。

確定該地下電力管廊準(zhǔn)確三維空間位置，首要工作是需要將地面三維坐標(biāo)引測(cè)到地下，然后人進(jìn)入到地下管廊內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到其三維空間位置關(guān)系。電力管廊不同于地鐵或者其他地下工程，距地面較深且有可供行人出入的專門通道；通往該地下管廊只能通過口徑約為 1 m、井深約為 5 m的電力井，這給三維空間坐標(biāo)的傳遞帶來了極大的困難，這也成為本工程的難點(diǎn)所在。采用全站儀直接觀測(cè)法根本不可能，采用聯(lián)系測(cè)量方式平面坐標(biāo)引測(cè)不具備條件，高程雖然可以通過懸掛鋼尺的方式引測(cè)，但此方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，加之地下電力管廊空間狹窄，對(duì)水準(zhǔn)讀數(shù)帶來極大不便。井口引測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 井口引測(cè)示意圖

考慮到三維激光掃描儀外業(yè)采集過程不需要特殊觀測(cè)條件，只要能夠通視，掃描儀便可以通過高速旋轉(zhuǎn)，采集可視范圍內(nèi)的三維空間坐標(biāo)和紋理信息；掃描儀測(cè)程可以達(dá)到一百甚至幾百米，在井下架設(shè)掃描儀，完全可以掃到井口，通過在井口布設(shè)3個(gè)專用標(biāo)靶(標(biāo)靶結(jié)構(gòu)如圖2所示)；地面通過全站儀準(zhǔn)確獲取3個(gè)標(biāo)靶中心點(diǎn)三維坐標(biāo)，地下則通過掃描儀將井口標(biāo)靶中心掃入點(diǎn)云中，通過測(cè)站之間的點(diǎn)云拼接，將井口和井下空間形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，從而巧妙地將地上三維空間坐標(biāo)引測(cè)到地下。作業(yè)方式如圖1所示。

圖2 掃描儀專用黑白標(biāo)靶示意圖

2.2 外業(yè)掃描

(1)分辨率選擇

外業(yè)作業(yè)過程要兼顧效率和精度要求，為提高效率可以選擇低密度進(jìn)行掃描，但低密度掃描容易造成點(diǎn)云過于稀疏，細(xì)部紋理不能很好地表達(dá)；過高的密度雖然可以更好地表達(dá)細(xì)部紋理，但比較費(fèi)時(shí)且更后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來不便。本工程項(xiàng)目主要關(guān)注地下電力管廊的三維空間位置信息，對(duì)于紋理信息要求不高，結(jié)合表1性能參數(shù)，兼顧精度要求，本項(xiàng)目可以采用中密度掃描模式；為了后續(xù)點(diǎn)云匹配的方便，在掃描過程中采用拍照模式。

三維激光掃描儀性能參數(shù) 表1

為了將地面三維空間坐標(biāo)準(zhǔn)確引測(cè)到地下，需要準(zhǔn)確獲取井口3個(gè)標(biāo)靶中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，地面可以采用導(dǎo)線測(cè)量或者后方交會(huì)方式準(zhǔn)確獲取標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)。井下第一站掃描過程中需要將井口3個(gè)標(biāo)靶轉(zhuǎn)向下方(如圖3所示)，從而將標(biāo)靶掃入點(diǎn)云中方便坐標(biāo)傳遞。

圖3 井口標(biāo)靶示意圖

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)點(diǎn)云拼接與去噪

點(diǎn)云拼接是將多站掃描數(shù)據(jù)拼接到一個(gè)整體的過程，采用徠卡配套的專用拼接軟件REGISTER 360進(jìn)行，一般有兩種方式：基于公共點(diǎn)的拼接和基于點(diǎn)云視圖的拼接[2，3]。由于地下電力管廊的相似度較高，采用視圖拼接難度較大，故采用基于公共標(biāo)靶的拼接方式，在RTC360點(diǎn)云拼接中，每站拼接完均可以得到點(diǎn)云匹配的相關(guān)精度信息，如圖4所示；將不同測(cè)站點(diǎn)云通過拼接可以得到電力管廊的整體效果圖，如圖5所示。

圖4 點(diǎn)云拼接精度信息

圖5 點(diǎn)云拼接整體效果圖

點(diǎn)云融合就是將不同站點(diǎn)、不同儀器設(shè)備的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并在一起的過程，在外業(yè)掃描過程中，每站都會(huì)有很多的重合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起就造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊，點(diǎn)云融合的目的就是根據(jù)點(diǎn)云歸一化算法將重疊點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化的過程。

在掃描儀的原始點(diǎn)云中往往包含若干對(duì)于成果處理有不良影響的點(diǎn)，點(diǎn)云去噪就是根據(jù)一定的點(diǎn)云濾波算法，讓有效點(diǎn)保留，無效點(diǎn)刪除的過程，由于地下管廊空間狹小、濕度大，空氣中懸浮液體小顆粒，掃描過程中由于空氣散射、折射容易生成漂浮、散亂點(diǎn)云，通常采用八叉樹、空間單元閾值函數(shù)等[7，8]方法自動(dòng)剔除空間散亂點(diǎn)云；通過點(diǎn)云自動(dòng)濾波剔除無效點(diǎn)云后還應(yīng)進(jìn)行全面的檢查，對(duì)于細(xì)節(jié)部分還需要進(jìn)行人工精細(xì)剔除點(diǎn)云。

(2)三維坐標(biāo)匹配

通過上述點(diǎn)云拼接的過程，整個(gè)電力管廊形成了一個(gè)空間整體，但此整體是相對(duì)的，還需要進(jìn)行點(diǎn)云的絕對(duì)定向。絕對(duì)定向的過程即是進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程，通過三個(gè)標(biāo)靶中心的空間坐標(biāo)來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換過程通常利用布爾莎7參數(shù)模型，即：

(1)

2.4 電力管廊平剖面繪制

徠卡專業(yè)點(diǎn)云后處理軟件Cyclone具有良好的可擴(kuò)展性，通過開發(fā)相應(yīng)的插件可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與一些專業(yè)繪圖軟件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)進(jìn)行互通。將經(jīng)過上述處理的點(diǎn)云加載到插件Cloudworx中，進(jìn)行坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和網(wǎng)格建立，定義參考面，使得點(diǎn)云便于人眼識(shí)別提取，然后利用Cyclone進(jìn)行點(diǎn)云的切片處理；在CAD中繪制電力管廊的平面圖和剖面圖(帶有絕對(duì)坐標(biāo))，如圖6、圖7所示。

圖6 電力管廊地下平面圖

圖7 電力管廊地下剖面圖

3 精度驗(yàn)證及分析

本工程中，通往電力管廊首尾各有一個(gè)電力井，如果具備條件可以在兩個(gè)井口各擺設(shè)3個(gè)標(biāo)靶，通過一站一站掃描，將首尾井口標(biāo)靶連成一個(gè)整體，這樣可以以一個(gè)井口作為檢核，提高施測(cè)的精度和可靠性。然而，本工程由于尾部井底全是淤泥，在地下作業(yè)過程中無法接近井口底部，因而無法將井口標(biāo)靶掃描到點(diǎn)云中，但此井口可以通過遠(yuǎn)處掃描將其掃到點(diǎn)云中。為驗(yàn)證該手段傳遞空間坐標(biāo)的有效性和可靠性，將尾部井口擺設(shè)的三個(gè)標(biāo)靶中心坐標(biāo)準(zhǔn)確測(cè)定，從而可以擬合出此井口中心三維坐標(biāo)(方式一，可認(rèn)為井口三維坐標(biāo)真值)；同時(shí)在點(diǎn)云中提取出尾部井口點(diǎn)云，通過點(diǎn)云后處理軟件Cyclone中的空間擬合功能，擬合出尾部井口(圖8)，進(jìn)而提取出擬合圓的三維中心坐標(biāo)(方式二)。

圖8 點(diǎn)云擬合電力管井口示意圖

將方式一和方式二擬合的井口中心坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，兩種方式的較差如表2所示。

兩種方式管井坐標(biāo)對(duì)比 表2

從表2中可以看出，通過兩種方式擬合的三維坐標(biāo)較差在 3 cm左右，完全滿足《城市測(cè)量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)及項(xiàng)目測(cè)繪精度要求。

4 結(jié) 論

三維激光掃描技術(shù)可以在單位時(shí)間內(nèi)獲取精度高、數(shù)據(jù)量大的三維空間信息，它以三維坐標(biāo)為整體，能夠?qū)⒖臻g物體真實(shí)還原，加之配賦坐標(biāo)信息即可得到三維立體空間形態(tài)。針對(duì)電力管廊三維坐標(biāo)傳遞困難、傳統(tǒng)方法難以實(shí)施的難題，本文借助三維激光掃描技術(shù)，以某一地下電力管廊三維空間位置測(cè)定項(xiàng)目為例，從項(xiàng)目難點(diǎn)和對(duì)策、掃描作業(yè)方法以及關(guān)鍵技術(shù)手段進(jìn)行了探討，在項(xiàng)目實(shí)施過程中得到了一些有益結(jié)論：

(1)針對(duì)電力管廊井口小、井深淺，聯(lián)系測(cè)量傳遞坐標(biāo)無法實(shí)施時(shí)，可以考慮使用三維激光掃描技術(shù)手段進(jìn)行空間坐標(biāo)的引測(cè)。

(2)外業(yè)掃描站與站之間通過公共特征點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，精度取決于點(diǎn)云拼接精度；不相鄰測(cè)站之間不存在誤差累計(jì)，提高了地下管廊整體測(cè)繪精度。

(3)通過一個(gè)井口傳遞坐標(biāo)，點(diǎn)云絕對(duì)精度取決于井口標(biāo)靶坐標(biāo)配賦精度，由于井口直徑較小，坐標(biāo)配賦精度較差，不利于點(diǎn)云絕對(duì)精度的提高。

(4)此項(xiàng)目雖然有首尾兩個(gè)電力井可以使用，但尾部井口地下部分不具備掃描標(biāo)靶條件；如果具備條件，利用兩個(gè)井口的標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)配賦不僅可以相互檢核，同時(shí)可以提高整體點(diǎn)云絕對(duì)精度。

(5)采用三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行外業(yè)測(cè)量時(shí)，如果具備條件，可以采集部分離散特征點(diǎn)三維坐標(biāo)作為檢核，以驗(yàn)證掃描的準(zhǔn)確性和可靠性。