三維激光掃描技術(shù)在地下汽車位測(cè)量中的應(yīng)用

葉 斌，李俊峰

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

地面三維激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)量單元進(jìn)行從左到右，從上到下的全自動(dòng)高精度步進(jìn)測(cè)量，進(jìn)而得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)的三維坐標(biāo)[1-3]。本文介紹了三維激光掃描儀的工作原理及其在地下汽車位測(cè)量中的應(yīng)用技術(shù)流程，并將該技術(shù)應(yīng)用于寧波市杭州灣世紀(jì)城近萬個(gè)地下汽車位測(cè)量。

1 地面三維激光掃描儀的工作原理

地面三維激光掃描儀通過激光測(cè)距儀及掃描儀內(nèi)部水平角、垂直角度盤分別記錄激光測(cè)量斜距和激光光束的水平角、垂直角，從而解算目標(biāo)相對(duì)于儀器中心的三維坐標(biāo)：

式中，L為斜距；θ為垂直角；φ為水平角。

三維激光掃描測(cè)量的坐標(biāo)原點(diǎn)S在儀器中心；Y軸在儀器固定方向上，為激光掃描方向；Z軸豎直向上，X軸由右手直角坐標(biāo)系確定。通過式（1）可將掃描儀獲得的距離及角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而獲得在同一空間參考系表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面光譜特性的點(diǎn)云?；邳c(diǎn)云的可量測(cè)性及不同目標(biāo)的反射差異，進(jìn)行地下汽車位的識(shí)別和量測(cè)。

本文使用的是Rigel公司生產(chǎn)的VZ-400地面三維激光掃描儀，其在高速模式下的點(diǎn)位精度為5 mm@100 m；距離分辨率為2 mm@100 m；角度分辨率為1.8"；測(cè)程為350 m；掃描速度為300 000 p/s；視場(chǎng)角V為100°，H為360°；掃描方式為脈沖式。在采集地下汽車位點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程中，將RIEGL VZ-400掃描儀固定在測(cè)量車的右后側(cè)，如圖1所示，單站采集18個(gè)汽車位數(shù)據(jù)，然后將測(cè)量車移動(dòng)到下一站繼續(xù)采集。

圖1 裝載RIGEL VZ-400激光掃描儀的測(cè)量車

2 基于三維激光掃描技術(shù)的地下汽車位測(cè)量

2.1 測(cè)區(qū)勘察及規(guī)劃

杭州灣世紀(jì)城地下車庫(kù)布局比較復(fù)雜，而三維激光掃描儀一次掃描的數(shù)據(jù)有限，為了獲得所有汽車位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須分多次在不同的測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描。現(xiàn)場(chǎng)踏勘的目的就是了解待測(cè)地下車庫(kù)的空間分布，為三維激光掃描儀的掃描作業(yè)規(guī)劃作準(zhǔn)備，以防止出現(xiàn)測(cè)量不完整、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或作業(yè)效率降低，確保測(cè)量工作順利展開。掃描規(guī)劃主要包括：

1）掃描站點(diǎn)設(shè)置。首先要通過試驗(yàn)明確三維激光掃描儀單站掃描所能覆蓋的有效汽車位數(shù)?？紤]到三維激光掃描系統(tǒng)存在點(diǎn)云空洞的問題，還應(yīng)明確三維激光掃描系統(tǒng)與待掃描區(qū)域最鄰近汽車位線的最短距離，然后對(duì)測(cè)量車?？课恢糜枰栽敿?xì)規(guī)定，并對(duì)車輛行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)劃，原則上要保證掃描站數(shù)最少、車輛行駛的線路最短。

2）掃描分辨率設(shè)置。掃描分辨率的設(shè)置主要以三維激光掃描儀單站掃描獲取的有效汽車位區(qū)域點(diǎn)云中的汽車位線能正常捕捉和量測(cè)、且使掃描時(shí)間最短為原則。

3）單站掃描范圍設(shè)置。單站掃描范圍的設(shè)置是通過設(shè)置水平及垂直方向的掃描范圍角，避免獲取非目標(biāo)地物，從而減少掃描時(shí)間及冗余數(shù)據(jù)。

2.2 地下汽車位數(shù)據(jù)采集

測(cè)量車進(jìn)入測(cè)區(qū)指定測(cè)站，開啟掃描儀新建工程及測(cè)站，設(shè)置掃描儀分辨率、水平及垂直方向的角度范圍。VZ-400掃描儀對(duì)測(cè)量車行進(jìn)方向的右側(cè)扇形區(qū)域進(jìn)行推掃，單站測(cè)量的有效汽車位數(shù)為18個(gè)。待單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完畢后，新建掃描站并將車載系統(tǒng)移動(dòng)至下一掃描站，直至完成整個(gè)地下汽車位掃描。單站掃描獲得的地下汽車位點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示，每一站點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取完成，應(yīng)詳細(xì)繪制草圖，標(biāo)注站點(diǎn)位置，記錄數(shù)據(jù)文件對(duì)應(yīng)關(guān)系作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的重要依據(jù)。

圖2 三維激光掃描儀獲取的車位點(diǎn)云數(shù)據(jù)

同時(shí)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)選取部分汽車位采用手持激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量，以此對(duì)基于三維激光點(diǎn)云的房產(chǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)精度進(jìn)行評(píng)定。

2.3 激光點(diǎn)云處理

三維激光掃描儀在接收回波的過程中，會(huì)存在一定的噪聲點(diǎn)，需要加以濾除，以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對(duì)于大宗噪聲點(diǎn)，一般采用手工選擇并刪除的方法；對(duì)于實(shí)物表面、肉眼難以分辨的噪聲點(diǎn)，則通過激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件來剔除。其基本原理是在主體點(diǎn)云模型表面設(shè)置一閾值，計(jì)算其余點(diǎn)與主體之間的距離差值，若差值大于給定閾值，則將該點(diǎn)歸于噪聲點(diǎn)并刪除，否則作為主體點(diǎn)云予以保留。噪聲點(diǎn)的刪除是一個(gè)迭代的過程，即逐步減小閾值直至將主體點(diǎn)云表面的噪音點(diǎn)清理干凈[4]。

2.4 地下汽車位線的繪制

地下汽車位線的繪制在基于MicroStation開發(fā)的TerraSolid軟件中完成。將點(diǎn)云導(dǎo)入、分類并按強(qiáng)度設(shè)置點(diǎn)云的顯示模式，通過設(shè)置合理的反射強(qiáng)度分布范圍來增強(qiáng)點(diǎn)云中汽車位線與周圍地物的反差，以方便后續(xù)汽車位線的繪制。反射強(qiáng)度設(shè)置如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的反射強(qiáng)度設(shè)置

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)反射強(qiáng)度設(shè)置在200～800范圍內(nèi)時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的汽車位線最易判讀，顯示效果如圖4所示。

圖4 調(diào)整反射強(qiáng)度后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

汽車位邊線的繪制采用手工的方式進(jìn)行，可采用如下2種方法：①?gòu)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)中量取汽車位邊線尺寸，據(jù)此來調(diào)整預(yù)測(cè)分層分戶圖中的地下汽車位邊線；②利用MicroStation的繪線工具直接在點(diǎn)云中人工構(gòu)繪汽車位邊線，并將每個(gè)區(qū)塊的汽車位邊線插入到預(yù)測(cè)分層分戶圖對(duì)應(yīng)位置上。

2.5 成果檢驗(yàn)

為了檢測(cè)三維激光掃描新方法獲取的地下汽車位成果的可靠性和精度，本文選取了一定數(shù)量的地下汽車位樣本進(jìn)行了測(cè)試。

2.5.1 穩(wěn)定性測(cè)試

隨機(jī)選擇10個(gè)地下汽車位樣本，對(duì)于任意一個(gè)樣本汽車位，均選取2個(gè)不同的站點(diǎn)用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過上述方法處理后，人工從處理后的點(diǎn)云中采集地下汽車位尺寸。每站掃描獲取的地下汽車位尺寸均量測(cè)2次，比較4次量測(cè)結(jié)果的差值，以此來驗(yàn)證三維激光掃描方法的穩(wěn)定性，如表1所示。

從表1可以看出，所有樣本數(shù)據(jù)2次測(cè)量的較差均小于3 mm，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性符合地下汽車位作業(yè)要求。

表1 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性測(cè)試記錄表/ m

2.5.2 精確性測(cè)試

為測(cè)試三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)精度，利用手持式激光測(cè)距儀按照傳統(tǒng)手段在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)采集部分汽車位邊線尺寸。采集過程中，每條汽車位邊線均觀測(cè)2次，2次觀測(cè)值取中值后與從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中采集的汽車位邊線尺寸也取2次量測(cè)的中值。隨機(jī)選取120條不同位置、不同采集時(shí)間的汽車位邊線，以手持激光測(cè)距儀獲取的數(shù)據(jù)為真值，以三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)為觀測(cè)值，得到的誤差統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 誤差統(tǒng)計(jì)

經(jīng)分析可知，有116條汽車位邊線較差在0.001～0.009 m之間，另外4條汽車位邊線較差大于1 cm。經(jīng)實(shí)地復(fù)查，系采用傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)時(shí)操作不當(dāng)造成的粗差。因此，利用三維激光掃描儀采集的地下汽車位尺寸完全符合房產(chǎn)測(cè)量的精度要求。

2.5.3 效率比較

傳統(tǒng)作業(yè)方式與三維激光掃描方式的效率比較見表2。

表2 作業(yè)效率比較

3 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)表明，三維激光掃描技術(shù)在地下汽車位測(cè)量中具有可行性、高效性及可靠性。

1）新方法可以提高作業(yè)精度。實(shí)地測(cè)量中由于人工操作的不穩(wěn)定性引起精度損失，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集尺寸時(shí)，可以通過放大視圖來增強(qiáng)尺寸采集的精度。

2）新方法可以提高作業(yè)效率。按照傳統(tǒng)作業(yè)方法，世紀(jì)城地下汽車位測(cè)量在不考慮人員疲勞因素的情況下2名工作人員最快需要20 d才能完成，而采用三維激光掃描技術(shù)2人一星期能完成所有的外業(yè)采集工作，作業(yè)效率大幅度增加。

3）新方法提高成果質(zhì)量。地下汽車位的產(chǎn)權(quán)面積涉及每個(gè)業(yè)主的切身利益，不能發(fā)生任何差錯(cuò)。傳統(tǒng)方法在尺寸測(cè)量環(huán)節(jié)、尺寸記錄環(huán)節(jié)和繪圖環(huán)節(jié)均容易出現(xiàn)差錯(cuò)，利用新方法可以避免這些環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤，從而提高作業(yè)質(zhì)量。

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