三維激光掃描技術在地下人防工程中的應用

王雨欣，孟麗媛，2，3*，陳昱璇，王夢悅

（1.宿遷學院建筑工程學院，江蘇 宿遷 223600；2.武漢大學測繪學院，武漢 430000；3.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100000）

由于地下工程具有空間密閉、復雜、面積大和場景重復率高等特點，使用傳統的全站儀數字測圖方式進行平面圖測量，工作量大，且容易出錯，難以保證測量精度[3]。因此本文探索了一種利用三維激光掃描獲取地下人防地形圖和三維模型的方法。

1 三維激光掃描技術數據獲取與處理

三維激光掃描技術開始于20 世紀90 年代中期，由于其能夠高精度快速地獲得測量目標的三維信息，被稱為實景復制技術[4]。三維激光掃描所獲取的目標物表面和大面積地形的三維數據，稱為點云數據，該數據可以通過計算機采用專門的處理軟件進行讀取和處理[5]。三維點云數據具有密度高、精度高、數據量大和帶有掃描物體光學特征信息等特點。相較于其他方法，基于三維點云數據構建的三維模型精度更高、細節更加逼真，與實物比例一致，場景三維可視化效果更真實[6]。三維激光掃描技術以其高速度、高精度、非接觸及強適應性等特點被廣泛應用于測繪工程、建筑古跡保護、結構測量和緊急服務等領域[7-11]。

地下人防工程三維激光掃描測量的主要流程如圖1 所示，包括測區踏勘與方案設計、控制點布設、三維點云數據采集、點云數據處理和成果導出步驟。

圖1 地下人防工程三維激光掃描流程

1.1 測區踏勘與方案設計

在作業前，首先需進行測區踏勘。其目的是了解測量需求和測區基本情況，確定掃描方案。

本項目需要將地上地下坐標基準進行統一，以實現地上地下空間一體化管理。經踏勘，本文所測量的地下人防工程地上出口附近有3 個控制點，可用于地上地下坐標基準的統一。該工程面積約為100 m2，主體結構簡單，但內部包含一些錯綜復雜小房間，為了兼顧測量效率和正確性，采用無靶球的作業方式，但在復雜小房間處增加測量的點云重疊度，并繪制草圖。

根據現場的踏勘情況初步完成了控制點和測站數量與位置的設計。

1.2 控制點布設

本文在地下空間均勻布設5 個控制點備用，控制點分布情況如圖2 所示，圖中地形點即為控制點。使用全站儀導線測量方式對地上已知控制點與地下控制點進行聯測，得到5 個地下控制點坐標。

式中，i∈[1,m],j∈[1,n]；DSem(mr,mp)表示QoS數值相似度函數；mr表示服務請求者請求的QoS數值約束；mp表示服務提供者提供的QoS數值約束；rj表示服務請求者所請求的第j個QoS屬性參數的取值；qij表示第i個候選Web服務中的第j個QoS屬性參數的取值。

圖2 控制點及測站分布

1.3 三維點云數據采集

數據采集使用的儀器為Trimble TX8 三維激光掃描儀，該型號掃描儀在測量速度、測程和精度等方面表現優異，被廣泛應用于工業測量、工程測量等領域，其主要技術參數見表1。

表1 Trimble TX8 三維激光掃描儀技術參數

三維點云數據采集的過程包括測站布設（首站整平）、掃描與搬站。測量時應注意避開遮擋物，儀器開始工作后人員要避免在掃描儀掃描區域內移動，以免對掃描數據造成影響。在第一個測站測量結束，儀器搬至第二測站，第二測站與第一測站應存在重復掃描區域。重復操作，直至掃描結束。

根據地下人防工程結構特點，共掃描74 站，測站分布情況如圖2 所示，其中三角形為測站。圖中僅顯示匹配成功的測站。

1.4 點云數據處理

本文使用的數據處理軟件為Trimble RealWorks 12.0 數據處理軟件，該軟件具備大量的配準工具可以快速配準工程和分析結果，并且可以識別出單獨點云對象中的點云分類與分割，很好地支持本文的數據處理。

由三維激光掃描儀直接獲取的點云數據數量龐大、密度高且存在很多無效點云，因此需對其進行預處理，主要流程包括點云去噪、修補、配準等[12]。

本項目的地下人防工程點云數據處理流程主要步驟包括點云配準、地理坐標轉換、點云分割和輸出結果等。

1.4.1 點云配準

由于地下空間面積大且結構單一，整體進行全自動配準會發生錯誤，從而產生“點云分層”，因此在進行一次全自動配準后，根據測站分布情況，將測區測站分為3 組，分別進行配準，得到3 組精確配準的點云后，再將3 組點云進行整體配準，這種方法有效避免了全自動配準產生的錯誤。配準結果如圖3 所示。

圖3 點云配準結果

1.4.2 地理坐標轉換

三維激光掃描的坐標系為測站坐標系，要想實現地上地下空間一體化，需要對其進行地理坐標轉換。利用控制點將三維激光掃描點云坐標轉換至項目所需坐標系下。本文利用3 個控制點（圖2 中的地形點1、2、4）對其坐標進行轉換，需要注意由于三維激光掃描坐標系為右手系，而導線測量的控制點所使用的坐標系為高斯平面坐標系，為左手系，因此需要將高斯坐標系的X、Y 坐標進行互換，轉換為右手系。轉換后的點云如圖4 所示，其軸系方向已經與該地下人防工程實際建設方向一致。轉換后控制點點位殘差為1.2 mm，利用地形點3 和5 作為檢查點，坐標轉換后兩點的點位誤差分別為1.3 mm 和0.7 mm，均滿足1∶500 比例尺測圖需求。

圖4 地理坐標轉換結果

1.4.3 點云分割

為了便于平面圖的繪制，需要去掉配準結果點云的頂部和地面部分。分割后的點云依然存在一些雜亂的電線、現場堆放的雜物和其他不需要在平面圖中體現的地物，如管道、消防栓等，為保證平面圖繪制的精度和效率，需要對點云進行進一步編輯，刪除不需要的干擾物，分割后的點云如圖5 所示。

圖5 點云分割結果

1.5 成果導出

為了繪制平面圖和基于點云完成三維建模，需將點云導入AutoCAD 軟件和Revit 繪制，因此將點云導出為可導入AutoCAD 和Revit 的rcp 格式。

2 基于三維點云的平面圖繪制

將點云數據加載到AutoCAD 軟件中，即可根據點云數據在AutoCAD 軟件中繪制平面圖。

在繪制好平面圖初稿后，需對繪制的平面圖進行檢查。除對繪圖質量的常規檢查，還需對平面圖與實地的相符情況進行檢查，即需要持平面圖到測量實地進行調繪，通過調繪可以發現三維激光掃描數據處理中產生的錯誤和被數據處理人員誤刪的重要測量目標。

本項目重點調繪內容有2 個。一是位于人防工程角落的隔間存在誤匹配和匹配錯誤的情況。由于隔間結構復雜，面積狹小，使用皮尺對隔間區域進行了補測。二是位于內部分的墻面拐角不是90°，經現場核實，三維激光掃描數據無誤。

根據調繪結果對平面圖進行更改，結果如圖6 所示。經檢查，該平面圖精度達到1∶500 地形圖精度。對其進行整理，用于竣工檢查和數據存檔。

圖6 地下人防平面圖

3 基于三維點云的BIM 模型構建

將點云數據載入Revit 軟件，即可基于三維點云完成BIM 模型的構建。首先進行標高的設置，設置完標高后，即可運用平面視圖搭建墻體、防護門、柱子、樓板和人防專有設備等構件。在建立過程中可以實時點擊三維視圖查看自己建立的模型與點云模型的差別并進行調整，亦可在屬性欄下的可見性/圖形替換里將點云數據關閉查看整體建立情況。所構建的模型如圖7 所示。

圖7 地下人防三維模型

在模型中測量10 段距離，與實地測量距離比較，依次評價建模精度。計算得到距離中誤差為±0.146 m。經比較，精度合格標準參考CH/T 9015—2012《三維地理信息模型數據產品規范》[13]中Ⅱ級的三維模型精度要求。

4 結束語

本文利用三維激光掃描技術獲取地下人防空間初始點云數據，并基于點云處理結果完成了對地下人防控制平面圖和BIM 模型的生產，且成圖精度滿足測量要求，數據可用于竣工交付和數據存檔。本文方法內外業共耗時13 h，2 人即可完成地下人防工程測量的全部工作，大大提高了測量效率，為相關測量工作提供了解決方案，具有實際意義和參考價值。