RTC360三維激光掃描儀在園林景觀改造中的應用

王瑞鵬 張曉剛 孫元超 孫曉麗

(1. 青島市勘察測繪研究院, 山東 青島 266032;2.青島市地下空間地理信息工程研究中心, 山東 青島 266032 3. 淄博水利勘測設計院有限公司, 山東 淄博 255035)

0 引言

在景觀園林設計改造中,由于需要根據景觀改造區域每棵樹的平面位置分布、樹徑大小及園林地勢走向進行改造方案設計,方案設計時僅依據傳統1∶500地形圖往往不能滿足景觀設計的需求。為了對景觀設計中的測量要素進行測繪,傳統測繪技術往往采用全站儀布設導線的方法對樹木的位置及地形進行測繪,測量過程中存在外業測量時間長、樹木位置數據漏測及樹徑無法統計的問題。三維激光掃描點云實景技術以其全要素高精度、高分辨率、高效率采集的特點實現海量點云數據的快速獲取, 大大提高了外業數據采集效率以及可以連續反映被測物體的空間特征,可以滿足景觀設計的要求。

1 三維激光掃描技術及技術方案

1.1 三維激光掃描技術簡介

三維激光掃描技術采用非接觸式的激光測量方式,無須反射棱鏡,采集可見目標表面點云的三維坐標信息[1]。它具有快速、無接觸、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點。高精度三維激光掃描儀的出現為工程測量提供了一種全新的數據獲取技術手段。

1.2 掃描技術路線

通過三維激光掃描儀進行景觀園林改造樹木位置及斷面測量的技術流程如圖1所示。

圖1 園林景觀測量技術路線

2 園林改造掃描測量案例

2.1 項目概況

項目位于青島市主城區,為一座海拔較低的山體公園,公園周邊為多層居民區,公園內部樹木分布較為密集,基本為獨立槐樹及松樹,無茂密的低矮灌木,公園內部有兩處空地,全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)信號接收良好,符合三維激光掃描儀外業測量的條件,測量現場如圖2所示。

圖2 山體公園樹木分布

2.2 外業數據采集

2.2.1 標靶布設及測量

為將三維激光掃描數據轉換到2000國家大地坐標系以及檢核內業點云數據處理的正確性,在山體公園周邊及內部較為空曠的地方均勻布設6個徠卡掃描儀黑白標靶,并利用青島連續運行基準站下的網絡實時動態載波相位差分技術(real-time kinematic,RTK)對黑白標靶的中心位置進行測量,如圖3所示。

圖3 黑白標靶分布圖

2.2.2三維激光掃描測量

在公園內部視線良好的位置架設三維激光掃描儀,設置分辨率為低分辨率,打開RTC360激光掃描儀的VIS功能后開始掃描,為保證相鄰測站有足夠的點云重疊度,相鄰測站間距保持在15 m左右,為方便內業點云數據處理時標靶中心坐標提取,測站布設時,需確保黑白標靶附近架設測站。本項目共架設42站,外業測量時間共70 min。

2.3 點云數據處理

三維激光掃描儀點云數據處理主要是通過RTC360配套的Cyclone Register360、Cyclone、CloudWorx for CAD以及全球統計數據/分析平臺(economy prediction system,EPS)軟件進行,具體處理過程包括點云拼接、坐標轉換、點云降噪、點云提取以及內業成圖等,如圖4所示。

圖4 點云數據處理流程

點云拼接是通過一定的約束條件將外業各測站的掃描數據配準到統一的坐標系下,拼接后得到一個完整的點云[2]。具體轉換公式如下：

其中,X1,Y1,Z1為掃描儀測站1坐標系下的坐標;X2,Y2,Z2為掃描儀測站2坐標系下的坐標;X0、Y0、Z0為平移參數;εX、εY、εZ為旋轉參數;k為尺度因子。

本文通過Cyclone Register 360自帶的基于企業視覺識別系統(visual identity system,VIS)和點云視圖的半自動拼接方式對不同測站間的點云進行拼接,確保了測站點云數據拼接的效率和準確性。拼接后的點云效果如圖5所示。

圖5 拼接后點云數據

坐標轉換的原理與點云拼接一致,在Register 360軟件中識別出黑白標靶的中心位置,將點云拼接后的獨立坐標系下的點云數據通過空間相似變換公式轉換到RTK測量的2000國家大地坐標系[3-5]。本次實驗坐標轉換精度指標如圖6所示,由于6個黑白標靶在測區中均勻分布,通過坐標轉換的平均誤差為1 mm可以驗證點云拼接的精度良好。

圖6 坐標轉換精度

對坐標轉換后的點云數據進行降噪和抽稀處理[6-8],對點云數據進行水平切片,提取水平切片點云數據生成園林樹木的輪廓分布圖,并根據分布圖中樹木的周長對樹木的樹徑進行統計分析,掌握園林中不同樹徑的樹木分布情況,同時對不同樹徑分布區間的樹木進行分層分色顯示,方便景觀改造設計時科學地制定樹木遷移及保護方案。

將設計斷面平面位置導入CloudWorx中,根據斷面位置進行縱向切片精確提取設計斷面附近的點云數據,生成指定位置的斷面圖,如圖7所示。

(a)切片點云

通過點云數據生成園林改造區域指定線路的斷面圖,保證了斷面測量位置與規劃道路中線垂直,避免了傳統測繪方法中斷面實地測量點偏離斷面線的情況。根據生成的斷面圖,指導園林改造中路徑的最優選擇以及施工土石方量的計算。

2.4 精度分析

根據《城市測量規范》的要求[9],工程圖中細部點點位中誤差和高程中誤差應符合表1的規定。

表1 細部點點位中誤差與高程中誤差 單位：mm

為了對掃描儀的測量精度進行驗證,利用全站儀對園林周邊多層建筑的房角點平面坐標及高程進行測量,并與掃描儀點云數據提取的建筑物平面坐標及高程數據進行對比分析[10-12]。經計算,平面中誤差為0.019 m,高程中誤差為0.028 cm,滿足城市測量規范中工程圖測繪的精度指標要求。

3 結論

RTC360三維激光掃描儀測量時無須對中整平即可實現點云數據的快速獲取,掃描儀自帶VIS視覺跟蹤技術配合Register360軟件實現了點云的高效精準拼接及坐標轉換,CloudWorx插件使得點云數據與CAD的有效銜接,讓內業成圖更加方便快捷。

將三維激光掃描技術應用于灌木覆蓋較少的獨立樹木測量,通過三維激光掃描測量快速高效的掌握樹木的數量及口徑,方便科學準確地制定樹木征遷補償方案,點云數據形象直觀,可根據設計人員需求提供不同形式的成果數據,景觀設計人員無須到達現場即可清晰掌握園林的現狀情況。通過三維激光掃描實現了外業一次測量,內業數據隨用隨采,提高了生產效率。

在實際掃描測量中還存在以下不足和需要注意的問題：

(1)需要合理的規劃掃描測量路線,避免數據重復測量及漏測,保證黑白標靶2～4 m范圍內有測站布設,以方便內業數據處理時標靶中心的提取。

(2)掃描測量時注意掃描分辨率的合理選擇,根據現場測量環境的不同,測站間可以搭配高中低不同分辨率進行測量。

(3)內業數據處理時需對點云拼接的可靠性進行檢核,確保拼接后整體點云數據的精度。