三維激光掃描技術(shù)在城市地下空間開發(fā)利用中的作用

段文義 孫德勇 段志義 孔維亮 陳寅

摘要：目前我國十分重視對城市地下空間的利用，無論是利用率還是利用方式都在不斷加大。然而，部分城市在利用地下空間的過程中，明顯缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，以至于很多地下空間沒有得到充分的利用及管理，這些問題的存在勢必會給智慧城市的建設(shè)留下隱患。因此為了的城市地下空間利用必然會呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的趨勢，地下空間利用的合理性及管理問題也必將成為社會關(guān)注的重點。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);城市地下空間;開發(fā)利用;三維模型

為能更加合理、有序的開發(fā)使用城市的地下空間，改變現(xiàn)有的經(jīng)濟發(fā)展形式、推進(jìn)新型城市建設(shè)進(jìn)程，拓展城市空間、提高城市空間利用率。與此同時，還能夠提升城市的防護(hù)能力，實現(xiàn)人防和民防的一體化，落實環(huán)境保護(hù)策略，促進(jìn)生態(tài)文明城市的建成。某市自然資源管理部門及和城市規(guī)劃局共同決定開展該市的地下空間[1]，普查一體化建設(shè)，具體項目內(nèi)容如下：

1）探明本次項目范圍內(nèi)已有地下空間的具體范圍;

2）采集地下空間的三維點云數(shù)據(jù)、屬性及紋理信息;

3）實現(xiàn)與該市三維平臺的無縫對接，建立地下空間利用及停車泊位專題普查。

1 資料收集與屬性調(diào)查

收集竣工和專項統(tǒng)計資料，對已建成區(qū)內(nèi)截止項目開展前已有地下空間的利用情況進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計，普查的內(nèi)容包括面積、層高、停車數(shù)量、人防工程、項目狀態(tài)等信息，對地下出入口的空間位置和類別進(jìn)行了調(diào)查，采集坐標(biāo)出入口坐標(biāo)和照片信息。根據(jù)已有資料分析，調(diào)查建成區(qū)范圍內(nèi)停車泊位分布數(shù)量、屬性及其空間分布情況。

2 控制測量

控制測量可分為地面及地下兩個部分，地面的平面控制測量擬布設(shè)為一級GNSS RTK點，采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量方式，地面高程控制測量采用四等水準(zhǔn)方式進(jìn)行測量，布設(shè)四等水準(zhǔn)網(wǎng)或附和水準(zhǔn)路線;地下平面控制測量擬布設(shè)為一級GNSS RTK點，采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量方式，利用ZJCORS進(jìn)行測量，地下高程控制測量采用四等水準(zhǔn)方式進(jìn)行測量，布設(shè)四等水準(zhǔn)網(wǎng)或附和水準(zhǔn)路線[2]。

3 點云數(shù)據(jù)采集

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)及原理

三維激光掃描點云精度及技術(shù)指標(biāo)根據(jù)《CH/Z 3017-2015地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》必須滿足三維激光掃描點的云精度及技術(shù)指標(biāo)要求。

掃描作業(yè)時應(yīng)該符合下列規(guī)定：滿足相鄰測站間有效點云的重疊度不低于30%，困難區(qū)域不低于15%的要求;應(yīng)根據(jù)項目名稱、掃描日期、掃描站點等信息命名掃描站點，存儲掃描數(shù)據(jù)，并在草圖上標(biāo)注測站位置。

其簡單的工作原理如圖1所示：首先由激光脈沖發(fā)射器發(fā)射激光脈沖信號，通過掃描鏡的旋轉(zhuǎn)射向目標(biāo)，然后接收器接收由目標(biāo)反射回的信號，測得激光脈沖的水平角α、垂直角θ，并記錄發(fā)射與接收時間，確定激光脈沖從掃描中心至被測目標(biāo)往返一次的時間t，又知道光速C是常量，所以掃描中心到被測目標(biāo)的距離S的計算公式為（3-1）。

計算三維激光點坐標(biāo)的方法如圖2所示

3.2 硬件方案

三維激光掃描也叫“實景復(fù)制技術(shù)”，它是二十世紀(jì)九十年代的中期才出現(xiàn)的高新技術(shù)，也是測繪領(lǐng)域在完成全球定位系統(tǒng)技術(shù)后新的技術(shù)革命。它具有非接觸、主動性、穿透性、掃描速度快、高精度、高分辨率、全天候、全數(shù)字化等特點，在地下空間測繪中展現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢。三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)承載平臺的不同分為機載、車載、地面、背包式、推車式及手持式等類型，其中適用于地下空間數(shù)據(jù)采集的是基站式的地面掃描儀和基于SLAM技術(shù)的背包式掃描儀[3]。

根據(jù)激光測距原理的不同三維激光掃描儀可以分為三種類型：基于脈沖測距法原理、基于激光三角法原理和基于干涉測距法原理。目前，基于脈沖測距法原理的掃描儀在測繪領(lǐng)域中使用最為廣泛，本項目數(shù)據(jù)采集使用的三維激光掃描儀Z+F5016即為基于脈沖式測距法的掃描儀。

4 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

4.1 點云配準(zhǔn)

點云配準(zhǔn)主要有基于ICP的配準(zhǔn)和基于特征的配準(zhǔn)兩種方法。其中基于ICP的配準(zhǔn)方法比基于特征的配準(zhǔn)度要高。本項目中點云配準(zhǔn)擬使用Z+F5016配套的軟件Z+F Control，它的配準(zhǔn)方法是基于ICP的配準(zhǔn)，配準(zhǔn)過程分為初始配準(zhǔn)、精確配準(zhǔn)兩步。初始配準(zhǔn)是為了防止點云間的旋轉(zhuǎn)及平移錯位，以便獲得更加精準(zhǔn)的配準(zhǔn)結(jié)果，同時還能減少的次數(shù)，節(jié)約更多的時間。精確配以ICP算法為標(biāo)準(zhǔn)，這樣能夠有效降低多站點云數(shù)據(jù)間的配準(zhǔn)誤差。

4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過點云配準(zhǔn)已將多測站點云大數(shù)據(jù)拼接成一個整體，此時的坐標(biāo)系統(tǒng)為掃描儀掃描系統(tǒng)，通過控制點可將坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成國家2000坐標(biāo)系或者當(dāng)?shù)鬲毩⒆鴺?biāo)系。

4.3 去除噪點

點云去噪是指將點云大數(shù)據(jù)里的錯誤或誤差數(shù)據(jù)去掉。噪聲是由儀器自身、掃描的環(huán)境及目標(biāo)物體的表面介質(zhì)等因素共同作用而產(chǎn)生，根據(jù)產(chǎn)生原因可將噪聲分為三種：首先是儀器系統(tǒng)誤差，它是由于儀器內(nèi)部的系統(tǒng)中存在缺陷及性能上的問題等引發(fā)的誤差;其次是受到被測目標(biāo)的影響而產(chǎn)生的誤差，主要有掃描實體外輪廓面的材質(zhì)構(gòu)成、激光的吸收狀況、外表面粗糙度、紋路、色澤、反射率等;最后是受到偶然因素或者不可預(yù)知的因素影響所產(chǎn)生的誤差，比如掃描過程中受到車輛、行人或者樹木的遮擋產(chǎn)生的誤差。

較為光滑的地下車庫所產(chǎn)生的噪聲被稱為鏡面噪聲點，這部分噪聲能夠通過再次回波或其他回波方式過濾掉。

5 紋理圖像采集

紋理數(shù)據(jù)采集可分為標(biāo)準(zhǔn)紋理數(shù)據(jù)的采集，外業(yè)紋理數(shù)據(jù)的采集。

（1）標(biāo)準(zhǔn)紋理數(shù)據(jù)的采集。

部分地下建筑物的紋理會比較單一，地面是水泥地，墻體呈乳白色，因此在采集紋理數(shù)據(jù)的過程中，地面、墻體及頂板只需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)紋理庫當(dāng)中的標(biāo)準(zhǔn)紋理快速建模即可。

（2）外業(yè)紋理數(shù)據(jù)的采集。

特殊的地下建筑物（比如地下通道或者地下商場）內(nèi)部就會有很多裝飾物，色彩也會存在變化，在采集這部分紋理數(shù)據(jù)時，可借助彩色激光掃描儀或數(shù)碼相機等設(shè)備完成工作。在拍攝照片時，由于空間視角的影響，拍攝物體出現(xiàn)了傾斜現(xiàn)象，在貼紋理之前則需使用Photoshop軟件對照片進(jìn)行糾正處理;照片需要進(jìn)行專門的整理和編號，編號應(yīng)包含能清楚的辨別地下空間的位置關(guān)系;所有紋理的尺寸必須保持為2的N次方，尺寸限制在1024*1024以內(nèi)，并且保持長與寬的差距不能過大;保證區(qū)域范圍內(nèi)整體色調(diào)的一致性。

參考文獻(xiàn)

[1]陶維剛.數(shù)字城市建設(shè)中三維城市模型制作方法研究[J].江西測繪，2014（1）：30-31.

[2]黃承亮，向娟.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物建模的測量方法研究[J].城市勘察，2011（1）：87-90.

[3]錢尊巖，孫鐘磊.三維激光掃描技術(shù)在城市地下空間建模中的應(yīng)用[J].北京測繪，2019，33（11）：1340-1343

[4]戴俊杰，胡平昌，郭震冬.基于三維激光掃描技術(shù)的地下建筑物測量方法研究[J].現(xiàn)代測繪，2013，36（SI）：25-27.