三維激光掃描技術在地下空間測量中的應用

李嘉禾，李國柱，趙子龍，陳舫益

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2.云南海鉅地理信息技術有限公司，云南 昆明 650106；3.云南省測繪產品檢測站，云南 昆明 650034)

1 引 言

隨著大量人口涌入城市，導致城市規模的不斷擴張，許多城市對空間的利用要求也相對提升。目前對城市地下空間的開發也愈發得到青睞，地下交通設施、地下人防、地下停車場、大型地下商場這些多樣化的地下空間的數量迅速增加。地下空間測量能為地下空間的管理提供空間規模、用途、位置等基本數據支持，同時可為后期室內定位提供基礎數據。精準快速地獲取地下空間數據十分必要，因此高效的地下空間測量方法顯得尤為重要。

三維激光掃描技術作為近年來新興的一門測繪技術，可以快速高效地獲取高密度的點云數據，并重建目標的三維模型，已在古建筑保護、考古測量、工業制造、結構測量、河道測繪、橋梁、建筑物地基測繪等方面得到廣泛應用[1]。與傳統測量方法相比，三維激光掃描技術無須接觸目標，可以快速準確地獲取目標數據，且具有密度高、精度高等特點[2]。適用于大面積及復雜表面物體的測量和物體局部細節的測量，以及目標表面、截面、斷面、體積、等值線等的計算，為測繪人員突破傳統測量技術提供了一種全新的數據獲取手段。并且，三維激光掃描技術可以深入到復雜環境中進行掃描操作，大面積、高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數據[3]。將三維激光掃描技術應用于地下空間測量中，可以更好地獲取地下空間數據，提升工作效率。

2 數據采集

2.1 RTC360地面三維激光掃描儀

RTC360三維激光掃描儀融合了徠卡三大核心先進技術：TruRTC實景復制技術、VIS視覺追蹤技術、SmartReg智能拼接技術，使RTC360三維激光掃描儀與徠卡FIELD 360外業操控軟件、REGISTER360智能拼接軟件完美結合，設備輕便，操作簡單，是一套集智能、簡單、高效、極速于一體的三維激光掃描儀[4]。RTC360配備的3個 1 200萬像素的HDR全景相機，拍照只需要一分鐘，成像清晰，且不受環境光源的影響，可以滿足不同場景的應用需求，其最高點位精度達到 1.9 mm，測角精度18″，測距精度1 mm+10 ppm，最大有效范圍 130 m，掃描速率高達 2 000 000點/s。基于RTC360三維激光掃描儀的地下空間測量總體流程如圖1所示：

圖1 整體流程圖

2.2 控制測量

為了將采集的點云數據轉換到指定坐標系下和對點云數據質量進行檢查及精度驗證，首先需要進行控制測量。項目分為地面控制和地下控制兩部分。地面采用網絡RTK方式布設平面二級點，采用四等水準測量方式進行高程測量；地下控制采用導線方式施測。點云數據的坐標轉換選用分布相對均勻的地下空間出入口(≥2個)地面控制點進行轉換至目標坐標系統。

2.3 點云數據采集

在使用RTC360進行點云數據采集時，主要使用的是其VIS功能和智能拼接功能。RTC360利用其分布于四周的5個相機，可以對測站進行視覺追蹤，辨別測站的行進方向，并進行測站的定位。配合IMU實時計算兩個連續站點間的相對位置，通過智能拼接功能可對測區內的測站實現掃描過程中的實時自動拼接，極大地提高了工作效率。

掃描作業時，基于IMU的傾斜補償和其內置的測高儀，RTC360無須整平可直接進行測量。為了保證拼接精度，每站掃描保持20%以上重疊度，掃描時需按照現場的實際情況控制測站間的距離，測站間距一般控制在 10 m～50 m之間，視野受限時可適當減小測站間距，為避免掃描盲區，在地下空間轉角處應設站掃描。掃描單個地下空間時，其內部掃描的控制點或導線點的個數應不少于3個。掃描控制點和導線點時，可進行多方位的掃描，這樣可以有效地提高整體的精度。在光照條件極差的環境中，RTC360的VIS功能失效，可用徠卡FIELD 360軟件進行測站的實時關系連接，并且可以通過該軟件實時查看掃描成果，實現對數據質量的檢查。

3 數據處理

點云數據預處理步驟包含點云配準、點云去噪、點云抽稀。點云數據配準常采用Besl和Mckay在1992年提出的最近鄰迭代配準(iterative closest point，ICP)算法實現對兩個掃描站的拼接，ICP算法是一個迭代優化過程，用于尋找兩個三維表面點集最優匹配的剛性變換[5]。

規則地下空間場景，RTC360三維激光掃描儀及配套的REGISTER 360智能拼接軟件能實現點云數據的自動拼接。在點云數據預處理時，無須再進行點云配準，自動拼接后只需對點云數據進行目視檢查，防止不同角度上的空間剖面存在分層、錯位、鏡像等與實地情況不匹配的現象，應特別注意如樓梯間、設備間這類相似特征較多的房間進行連續掃描所獲得的數據，必須對自動拼接后的成果進行檢查，并對其拼接精度進行驗證，確保點云的拼接精度達到項目要求。點云配準精度如表1所示，其中重疊度表示兩測站或整體點云模型中的重復量，強度表示的是點云數據的反射率，點云到點云表示的是點云模型中相似點云間的拼接誤差。點云配準精度如表1所示：

點云配準精度 表1

3.1 點云去噪

非封閉空間掃描易受到外部因素的影響，如移動的車輛和路過行人以及其他構筑物等非目標地物的存在對目標地物的遮擋[6]，或是目標物附近的強光源和強反射物，以及人為操作失誤的影響，都會導致掃描得到的原始點云數據中某些關鍵部位存在大量冗余點和缺失數據，因此在數據預處理中需要對原始數據進行點云去噪處理。

利用Leica Cyclone點云處理軟件中的點云過濾功能，可以去除點云數據中較為獨立、無關聯性的噪點。對于點云數據中獨立的大范圍冗余點云，可以通過人工交互操作，轉換不同視角，實現冗余點云的剔除。如圖2所示，兩個白色方框中的點云數據即為冗余點云，在Cyclone軟件中框選并刪除相應位置的點云數據，即可完成點云數據中獨立的大范圍冗余點云的去除，去除冗余點云后的效果如圖3所示。另外，對于點云數據中與其他點云數據相關聯的冗余數據或噪點，不能直接框選刪除，如圖4所示，紅色圓圈中為鏡面反光所產生的噪點數據，無論旋轉什么視角，框選刪除都會影響到其他點云，對于這類數據需要先用Cyclone軟件中的LimitBox功能處理，再對數據進行刪改，刪除噪點后的點云數據如圖5所示。

圖2 去除冗余數據前點云圖

圖3 去除冗余數據后點云圖

圖4 去噪前點云圖

圖5 去噪后點云圖

3.2 點云抽稀

在使用徠卡RTC360進行地下空間測量時，即便使用的是最低精度的掃描模式，但由于其高達200萬點每秒的掃描速率，還是會使點云數據的規模過于龐大。為了降低后期點云處理和建模過程中的數據運算量，需要對點云數據進行抽稀，使得點云數據更加均勻，提高建模的精度和效率[7]。Leica Cyclone點云處理軟件中的點云抽稀功能，可以自由設置抽稀的密度，軟件會根據設置的抽稀密度優化整個點云模型，抽稀前的點云數據如圖6所示，點云密度大并且可以看出有一定的點云厚度，抽稀后的點云數據如圖7所示，點云密度及點云厚度都被很大程度地降低，但整體點云模型的框架沒有發生改變，以此來達到精簡數據的目的。

圖6 抽稀前點云圖

圖7 抽稀后點云圖

3.3 點云數據坐標轉換

在進行地下空間測量時，由于使用的三維激光掃描儀無法在絕對坐標系下進行測量，因此測得的點云數據都是在相對坐標系下的數據。為了實現任意坐標系與項目要求的目標坐標系的統一，需要將點云數據轉換到指定的坐標系下。坐標轉換通過公共點(公共標靶)來計算轉換參數，轉換過程通常利用布爾莎7參數模型，即3個平移參數[△X，△Y，△Z]T，3個旋轉參數[εX，εY，εZ]T和1個尺度參數m，無單位[8]。本項目的點云數據坐標轉換在REGISTER360智能拼接軟件或者Leica Cyclone點云處理軟件中完成，轉換坐標主要通過分布相對均勻的地下空間出入口(≥2個)地面控制點作為標靶點坐標來求轉換參數，進而完成點云模型整體的坐標轉換。

3.4 點云數據矢量化

根據項目需求對點云數據進行輪廓提取，輪廓線的提取可以借助于AutoCAD軟件，也可以通過編程或借助于點云處理軟件或三維建模軟件來完成[9]。化蕾[10]利用AutoCAD軟件中的KubitPointcloud插件所提供的分層切片技術來完成建筑輪廓線的提取。張遠翼[11]通過Leica Cyclone點云處理軟件中配套的Coudworx插件將點云模型導入AutoCAD中進行點云模型的切片，并對切片后的點云進行建筑輪廓線的提取。

本項目使用的是清華山維EPS軟件，利用軟件中的點云處理模塊對輪廓線進行提取，進行點云數據輪廓提取前僅需將點云數據格式轉化為EPS軟件識別的格式。處理后的點云數據可作為地下空間矢量化的基礎數據，從點云數據中可以準確地獲得地下空間的實際情況，如地下空間范圍、安全通道的走向、地下空間各種設施的分布情況，以及地下空間頂部管道的位置走向等，甚至可以提供準確的寬高等幾何尺寸信息，獲得的矢量圖還可以在后期的三維建模中作為底圖使用。根據項目需求，地下空間測量范圍包含夾層及內部通道，矢量化后的數據如圖8所示：

圖8 矢量化成果圖

4 精度分析

徠卡RTC360在掃描過程中使用了IMU傾斜補償技術和VIS視覺追蹤技術實現了點云數據采集過程中儀器的自動定位定姿，后期點云數據的拼接也在REGISTER360智能拼接軟件實現了一體化的自動拼接，因此在軟件內點云數據的拼接精度可以直接在REGISTER360智能拼接軟件或Leica Cyclone點云處理軟件中查看。

本次的地下空間測量項目中，首先通過閉合導線或附合導線測量的方式獲取地下空間內圖根控制點，之后通過傳統測量的方式對測區內的特征點進行實地測量，以傳統測量測得的數據作為真值與三維激光掃描儀測得的數據相對比，以此達到精度檢驗的目的，其中特征點主要包括墻面或者結構柱的角點、地下通道出入口的位置和地下空間出入口的地坪高度等。本文利用全站儀和測距儀對抽樣的地下空間測量多組特征點坐標以及特征物體的寬高和高差值作為檢驗數據，利用Leica Cyclone點云處理軟件對點云模型中的多組距離和高差進行量測。考慮偶然誤差因素，內業對同一特征點的量測取3次測量的平均值作為量測值。將全站儀和測距儀測量的數據視為檢驗數據的真值，將點云模型的量測值視為檢驗數據的觀測值，結果如表2、表3所示。根據全站儀和測距儀測量的數據與點云中的數據對比得到結果表明，通過點云測量得到的數據能夠滿足地下空間普查項目的需求。

全站儀與掃描儀測量值 表2

測距儀與掃描儀測量值 表3

5 結 語

本文分析了利用徠卡RTC360三維激光掃描儀進行地下空間測量的操作過程，對該方案中需要注意的事項進行了說明，并通過精度統計驗證了該方案的可行性。運用徠卡RTC360三維激光掃描儀能夠快速獲取地下空間的點云數據，通過REGISTER360智能拼接軟件可實現點云的無標靶自動拼接，且其相對精度較高，很大程度上提高了地下空間測量的工作效率。而且通過Leica Cyclone點云處理軟件生成的點云數據可與市面上常用的二次處理軟件兼容，點云數據的開發性較強。

但是在點云數據處理中，由于點云數據的規模龐大，因此對數據處理設備的要求較高，且數據冗余問題會直接影響點云數據預處理的效率，同時會增加點云數據格式轉換時的工作量。這些問題還有待在后續的研究中進一步解決。