三維激光掃描儀在實景三維模型數學精度檢驗中的研究

2023-09-16 16:53:39趙鵬，陳吳敏，羅浩，張璇

國土資源導刊 2023年3期

趙鵬，陳吳敏，羅浩，張璇

摘? 要：本文以某測區實景三維模型成果為例，結合RIEGL VZ-2000i 長距離三維激光掃描儀采集測區地面點坐標檢測數據，并對數據進行處理。將三維激光掃描儀檢測數據與傳統方式獲得的檢測數據結果結合內業進行對比分析，研究三維激光掃描技術在數學精度檢驗中的可行性。研究表明三維激光掃描儀可為實景三維測繪成果的質量評價提供檢驗數據，是傾斜攝影建模技術的有效檢測途徑之一。

關鍵詞：三維激光掃描儀；傾斜攝影實景三維模型；精度檢驗

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-5603（2023）03-116-05

Research on the Mathematical Accuracy Testing of Real 3D Models Based on 3D Laser Scanners

Zhao Peng，Chen Wuming，Luo Hao，Zhang Xuan

（Hunan Province Surveying and Mapping Product Quality Supervision and Inspection

Authorization Station，Changsha Hunan 434000）

Abstract： This article takes the actual 3D model results of a certain survey area as an example， and combines the RIEGL VZ-2000i long-distance 3D laser scanner to collect ground point coordinate detection data of the survey area， and processes the data. Compare and analyze the results of 3D laser scanner detection data with those obtained through traditional methods， and study the feasibility of using 3D laser scanning technology in mathematical accuracy testing. Research has shown that 3D laser scanners can provide inspection data for the quality evaluation of real-world 3D surveying results， and are one of the effective detection methods for oblique photography modeling technology.

Keywords： 3D laser scanner; 3D model of oblique photography reality; Accuracy inspection

0 引言

實景三維中國建設是落實數字中國、平安中國、數字經濟戰略的重要舉措，是落實國家新型基礎設施建設的具體部署，是服務生態文明建設和經濟社會發展的基礎支撐[1]。隨著國家“十四五”基礎測繪規劃編制工作的啟動、“數字城市”和“實景三維中國建設”的推動，以及尚未正式出臺用于實景三維模型數據質檢的規范和標準，研究一種檢驗實景三維模型數學精度的方法勢在必行，為今后“國家標準化發展綱要”的實施和實景三維模型產品的檢驗提供意見建議。

目前，由于傾斜攝影實景三維模型在生產工藝、成果表現、應用層次等方面均與傳統三維建模不同[2]，原國家測繪地理信息局頒布的行業標準《三維地理信息模型數據產品質量檢查與驗收》（CH/T 9024-2014）不能滿足對實景三維模型產品的質量檢查與評定。現階段，測量儀器隨著科學技術的進步也在不斷的更新換代[3]，地面三維激光掃描技術日漸成熟，國內很多研究院和大專院校正在加快三維激光掃描技術與理論的研究，并取得了一定成果[4]，推動三維激光掃描技術在工業測量、變形監測、三維建模等多領域廣泛應用。我們通過在測區實際采用地面三維激光掃描儀獲取檢測數據，與傳統方式獲取的檢測數據進行比較，對實驗數據進行分析研究，對其在質量檢驗中的可行性進行探索。

1 三維激光掃描系統簡介

本文用RIEGL VZ-2000i超高速、長距離三維激光掃描儀作為測量工具，該儀器采用全新的處理器，以未來導向性為基準，結合創新處理體系結構、互聯網連接以及最新全波形處理技術，即使在氣象條件惡劣的情況下也能進行快速、高精度、長距離的測量。

1.1 工作原理

三維激光掃描儀在測量時不需要過多的人工干預，工作時兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉，將激光脈沖發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域，通過測量每個激光脈沖從發射出到經被測物體表面反射回儀器所經歷的時間間隔，計算出被測點與設備間的距離。掃描控制系統同時控制和測量每個脈沖激光的角度，進而計算出被測物體上每個激光點的三維坐標[5]。

三維激光掃描儀的測量原點在儀器中心0，Y軸為儀器固定方向，Z軸為豎直向上，X軸由右手規則確定，由此建立掃描坐標系。定義儀器中心至測量目標點的距離為S；自 X 軸逆時針旋轉至掃描方向在XY 平面內的投影線的角度為水平掃描角α; 掃描方向旋轉至其水平投影線的角度為垂直掃描角θ，仰角為正，俯角為負; 由此可得極坐標為（ S，α，θ）并進一步建立右手空間直角坐標系[6-7]，如圖1 所示。

三個觀測量滿足下式：

X= S×cosθ×cosα

Y= S×cosθ×sinα

Z= S×sinθ

其中，S為掃描儀中心到目標物體的斜距，θ為垂直角，α為水平角。

1.2 系統性能與技術參數

RIEGL VZ-2000i三維激光掃描儀的硬件系統主要由激光掃描儀、系統軟件、存儲設備、電源以及附屬設備等幾大部分組成。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統和激光掃描系統，同時集成了CCD數碼相機和儀器內部控制與校正系統等。RIEGL VZ-2000i三維激光掃描系統主要部件參數如表1所示。

2 應用實例

2.1 測區概況

項目測區位于北緯28°00′～28°10′，東經112°50′～113°00′，提取部分實景三維模型成果進行研究，模型未精修處理。測區主要處于市區，植被極少，絕大部分為高層建筑。測區屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，海拔100 m左右，年平均溫度為17.2 ℃。

2.2 方案設計

根據此次項目測區的地理位置及控制點的布設，盡量選取在視野開闊、遮擋物較少、有控制點的區域開展檢測作業。首先用三維激光掃描

儀擺站掃描（至少在鄰近的控制點上擺三站掃描），再用全站儀傳統測量手段進行地物測量，最后內業數據提取進行精度對比分析。基于RIEGL VZ-2000i三維激光掃描儀進行測量的作業流程如圖2 所示。

2.3 數據采集與處理

2.3.1 外業數據采集

根據測區地形特征、面積大小、掃描是否存在盲區等實際情況，總共設計了5個測量站，相鄰測量站之間的重疊程度不低于30%，設置掃描參數為1.2MHZ，掃描的最大距離為600 m，每個測量站其垂直角與水平角分別為100°與360°。同時在掃描儀工作中，掃描四周均設有屏障，以免人員或車輛穿過掃描視野而對掃描結果造成影響[8]。

依據《測繪成果質量檢查與驗收》（GB/T 24356-2009）和《三維地理信息模型數據產品質量檢查與驗收》（CH/T 9024-2014）標準，分別對房屋模型的坐標和懸高進行數據采集。

2.3.2 內業數據處理

（1）點云數據配準、平差

激光點云數據是基于掃描儀自身的內部坐標系，而項目數據是基于CGCS2000坐標系，故需要在RISCAN PRO軟件下進行坐標轉換，實現多站點云的高精度配準。點云高精度配準分為點云坐標轉換和多站平差兩步[9-10]。圖3為多站點平差結果，滿足精度要求；圖4、圖5分別是原始數據和多站拼接平差、去噪、濾波后的數據。

（2）特征點提取

首先統一點云數據與實景三維模型成果坐標系統，再進行多站點平差，最后選取同名特征點位置坐標，導出檢測點坐標文件，疊加到模型進行精度對比分析，如圖6、圖7所示。

3 精度分析

根據實地采集的特征點，對三維激光掃描儀點云數據和實景三維模型的平面和懸高精度對比分析，如表2所示。

表中，點云與實測平面位置最大誤差值為0.30 m，中誤差值為0.09 m；點云與模型平面位置最大誤差值為0.23 m，中誤差值為0.06 m；點云與實測懸高差最大誤差值為0.16m，中誤差值為0.07 m；點云與模型懸高差最大誤差值為0.18 m，中誤差值為0.08 m。經實驗表明，測量精度完全符合《測繪成果質量檢查與驗收》（GB/T 24356-2009）和《三維地理信息模型數據產品質量檢查與驗收》（CH/T 9024-2014）標準。因此，三維激光掃描儀適用實景三維模型數學精度檢驗。

4 結語

本文根據現有的相關規范，分析研究三維激光掃描儀對實景三維模型和實測檢驗數學精度，可以得出以下結論：

（1）RIEGL VZ-2000i三維激光掃描儀的檢測精度能滿足實景三維模型數學精度規范要求。

（2）為今后“國家標準化發展綱要”的實施、“數字城市”和“實景三維城市”建設，實景三維模型產品的檢驗、提供意見和建議。

三維激光掃描儀具有速度快、精度高、無需接觸目標等諸多特點及優勢，能在一定程度上規避GPS-RTK信號干擾以及全站儀視線遮擋的問題，能在一定程度上減小野外測量的工作強度，但在內業數據處理方面還有待優化。

（3）從以上結論可以看出，三維激光掃描儀對實景三維模型數學精度檢驗是可行的，在國家尚未出臺實景三維模型數據產品質檢標準的情況下，我們要在實踐中歸納與總結，提高實景三維模型數據產品的質量和檢驗方法，這也是今后需要研究的課題。

參考文獻/References

[1] 自然資源部.實景三維中國建設技術大綱（2021）[Z]（2021-08-16）[2023-04-09].

[2] 國家測繪地理信息局.中華人民共和國測繪行業標準：三維地理信息模型數據產品質量檢查與驗收CH/T 9024-2014[S].北京：測繪出版社，2014.

[3] 李善宏，付彪，陳元壽，等.三維激光掃描儀在地形測繪中的應用[J].中國金屬通報，2020（4）：187-188.

[4] 張會霞，朱文博.三維激光掃描數據處理理論及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[5] 徐祖艦，王滋政，陽鋒. 機載激光雷達測量技術及工程應用實踐[M].湖北武漢：武漢大學出版社，2009.