全站儀模式獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法研究

張志娟，田繼成，葛魯勇，謝宏全，薛 勇

(1.天津市寶坻區(qū)土地整理中心，天津 301800；2.大同市勘察測繪院，山西大同 037006；3.淮海工學(xué)院，江蘇連云港 222005；4.北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100107)

全站儀模式獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法研究

張志娟1，田繼成2，葛魯勇3，謝宏全3，薛 勇4

(1.天津市寶坻區(qū)土地整理中心，天津 301800；2.大同市勘察測繪院，山西大同 037006；3.淮海工學(xué)院，江蘇連云港 222005；4.北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100107)

結(jié)合傳統(tǒng)測量理論的基礎(chǔ)方法和三維激光掃描作業(yè)的先進(jìn)方式，通過實例驗證比較和數(shù)據(jù)分析來詳細(xì)闡述采用全站儀模式作業(yè)獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的方法可行性。

地面三維激光掃描；點云；全站儀模式

一、引 言

地面三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測繪技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。目前已經(jīng)逐漸成為廣大科研和工程技術(shù)人員全新的解決問題的手段，并逐漸取代一些傳統(tǒng)的測繪手段，為工程與科學(xué)研究提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。隨著三維激光掃描設(shè)備在性能方面的不斷提升，相應(yīng)的作業(yè)方法也隨之進(jìn)入大家的研究視線，常規(guī)的掃描型作業(yè)方式是掃描儀從最初應(yīng)用即開始使用的模式，技術(shù)雖然成熟，但在效率和精度上還有提高的空間。本文即從這個視角，通過試驗論證采用全站儀模式作業(yè)獲取的三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法的可行性。

二、全站儀模式獲取點云數(shù)據(jù)精度研究

1.點云數(shù)據(jù)獲取與拼接

選擇合適的掃描目標(biāo)分別采用全站儀模式方法、標(biāo)靶掃描方法和特征點方法進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)獲取過程簡要說明如下。

(1)標(biāo)靶掃描方法

將4個標(biāo)靶置于待掃描對象的外圍，將儀器架設(shè)在最佳距離(15 m左右)的位置，對目標(biāo)物進(jìn)行掃描，完成該站的目標(biāo)物掃描任務(wù)以后，對標(biāo)靶進(jìn)行編號并掃描，完成該測站的掃描任務(wù)以后將儀器遷至下一個測站直至完成全部的掃描任務(wù)，且相鄰兩站之間至少有3個公共標(biāo)靶。掃描任務(wù)完成后即利用掃描到的標(biāo)靶點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

(2)特征點方法

在設(shè)站點架設(shè)儀器，對掃描對象進(jìn)行掃描，以球形標(biāo)靶作為特征點使用，掃描完成后遷至下一個測站直至完成全部掃描任務(wù)。后期數(shù)據(jù)處理時找出相鄰測站至少3個公共點以進(jìn)行點云拼接。

(3)全站儀模式方法

在場地內(nèi)布設(shè)4個控制點，在一個點架設(shè)儀器，在前后相鄰的控制點上同時架設(shè)標(biāo)靶(如圖1所示)。按照全站儀模式的外業(yè)操作流程完成本次掃描任務(wù)。

圖1 標(biāo)靶架設(shè)

用Cyclone軟件分別對3種方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行點云拼接處理，得到3種方法的點云拼接結(jié)果。對3種方法的點云拼接精度取拼接精度誤差最大值，數(shù)值如表1所示。

表1 點云拼接精度m

2.試驗結(jié)果分析

由表1可知：全站儀模式方法和標(biāo)靶掃描法的點云拼接精度滿足工程的需求。特征點方法的點云拼接精度誤差較大不能滿足高精度工程的需求，標(biāo)靶掃描法是現(xiàn)階段較常用的掃描方法且精度較高。全站儀模式方法與標(biāo)靶掃描方法的點云拼接精度相當(dāng)，因此，此方法也滿足工程精度要求高的工程。

通過3種方法試驗對比與分析，全站儀模式相的特點敘述如下。

(1)外業(yè)操作方面

全站儀模式方法作業(yè)時間稍長，主要是標(biāo)靶架設(shè)時需要幾分鐘時間。對于不規(guī)則掃描對象，全站儀模式方法具有很大的優(yōu)勢，可以大大減少架設(shè)儀器的次數(shù)，從而大大節(jié)省掃描時間，減小勞動強(qiáng)度。另外，當(dāng)工程由于天氣和時間等因素暫停掃描時，只要相鄰兩個控制點在地面的標(biāo)志穩(wěn)固，工程可以隨時進(jìn)行后續(xù)掃描，同時能夠保證兩次的掃描數(shù)據(jù)高精度地銜接。

(2)內(nèi)業(yè)處理方面

全站儀模式能夠大大的節(jié)省內(nèi)業(yè)拼接時間。標(biāo)靶掃描方法和特征點方法的拼接次數(shù)與測站數(shù)成正比，每一次拼接過程都要進(jìn)行標(biāo)靶選擇的重復(fù)操作，耗時比較長。如果在拼接過程中操作不當(dāng)則會對拼接結(jié)果有直接影響。全站儀模式在導(dǎo)線相關(guān)信息設(shè)置后，可以一次性對所有點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，而且拼接時不容易出錯，拼接方法比較簡單，大大減少了內(nèi)業(yè)處理的工作量。

(3)點云數(shù)據(jù)拼接精度方面

特征點方法的點云拼接精度較差；全站儀模式方法和標(biāo)靶掃描方法的點云拼接精度基本相當(dāng)且拼接精度都很高，可以滿足精密點云拼接工程的需要。

三、全站儀模式導(dǎo)線平面精度試驗研究

1.試驗方案設(shè)計

依據(jù)全站儀光電導(dǎo)線布設(shè)方案與試驗場地范圍情況，本試驗設(shè)計導(dǎo)線閉合環(huán)邊數(shù)依次為3、4、5、6、7邊，每種邊數(shù)的導(dǎo)線閉合環(huán)的邊長依次分別為30 m、60 m、90 m左右，共進(jìn)行15組閉合環(huán)的掃描觀測。利用Cyclone軟件進(jìn)行點云數(shù)據(jù)拼接，在導(dǎo)線圖上獲取邊長和角度信息，并利用傳統(tǒng)導(dǎo)線平差方法計算導(dǎo)線全長相對閉合差。

2.點云數(shù)據(jù)獲取

(1)場地選擇

本次試驗對場地要求比較高，場地選擇時需要對場地通視、外界影響等多方面因素進(jìn)行考慮，要求比較開闊、通視條件很好、且人流量較少。

(2)試驗儀器準(zhǔn)備

本次試驗所需包括徠卡C10三維激光掃描儀、配套三腳架、兩個普通三腳架、卷尺、電源線、皮尺、球形標(biāo)靶。

(3)控制點布設(shè)

在試驗場地的合適位置選擇一個起點，此點作為第1個控制點。按照每次試驗的閉合導(dǎo)線的邊長和邊數(shù)，用皮尺按照一定的方向量出需要的邊長作為第1條邊的邊長，此邊的終點即為第2個控制點。以第1條邊的方向和兩邊之間的夾角確定第2條邊的方向，然后用皮尺量出第2條邊的邊長，第2條邊的終點即為第3個控制點，依次確定出每一個控制點的位置，并用記號筆在地面上作出標(biāo)記。本次研究共進(jìn)行15組試驗，控制點盡量選擇在比較開闊且利于儀器架設(shè)的地方，每組試驗中在控制點布設(shè)完成后即可開始掃描工作。

(4)數(shù)據(jù)獲取

在第一個控制點架設(shè)掃描儀，在第1個控制點前后的兩個控制點上分別架設(shè)一個標(biāo)靶，儀器和標(biāo)靶都對中整平完成后開始標(biāo)靶掃描。本次所進(jìn)行的試驗中不對目標(biāo)物進(jìn)行掃描只掃描標(biāo)靶，掃描時先對后視標(biāo)靶進(jìn)行掃描以定向，后視標(biāo)靶掃描完成后對前視標(biāo)靶進(jìn)行掃描，掃描完成后則本站的掃描任務(wù)完成，將儀器搬遷至下一個控制點，同時將標(biāo)靶搬遷至儀器所在控制點的前后兩個相鄰的控制點上進(jìn)行本測站掃描任務(wù)。按照每一測站的掃描步驟一次完成每一測站的掃描任務(wù)。按照每一個閉合導(dǎo)線的測量流程完成本次試驗共15個閉合導(dǎo)線的掃描觀測。

3.導(dǎo)線精度分析

試驗完成以后，用U盤將儀器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中，對每組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行點云拼接，得到每組數(shù)據(jù)的導(dǎo)線圖。用傳統(tǒng)閉合導(dǎo)線平差方法計算出每組閉合導(dǎo)線全長相對閉合差，并對其進(jìn)行匯總列入表2中。

表2 導(dǎo)線全長相對閉合差

通過表2可知：

1)相同邊長不同邊數(shù)的閉合導(dǎo)線全長相對閉合差沒有明顯的差異。

2)相同邊數(shù)不同邊長的閉合導(dǎo)線全長相對閉合差隨邊長增加而變小，精度變高。

3)全站儀模式導(dǎo)線的平面精度與閉合導(dǎo)線的邊數(shù)沒有直接關(guān)系，其精度與邊長有關(guān)，邊長越長精度越高。

四、結(jié) 論

地面三維激光掃描儀全站儀模式獲取點云數(shù)據(jù)方法外業(yè)操作方法簡單，兩次不連續(xù)工程銜接精度高。點云數(shù)據(jù)拼接精度與常用的標(biāo)靶掃描方法相當(dāng)，能夠滿足項目精度的要求，且該方法可以一次性對所有點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，而且拼接時不容易出錯，拼接方法比較簡單。全站儀模式獲取點云數(shù)據(jù)方法可以應(yīng)用于各種大型掃描任務(wù)和掃描目標(biāo)相對復(fù)雜的工程中，可以提高外業(yè)的掃描效率，也能夠減少內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理時間。

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The Method of Getting 3D Laser Scanning Point Cloud Data in Total Station Mode

ZHANG Zhijuan，TIAN Jicheng，GE Luyong，XIE Hongquan，XUE Yong

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B

0494-0911(2014)09-0087-03

2014-07-16

張志娟(1976—)，女，天津人，工程師，主要研究方向為城市測繪及地籍測量。引文格式:張志娟，田繼成，葛魯勇，等.全站儀模式獲取三維激光掃描點云數(shù)據(jù)方法研究[J].測繪通報，2014(9)：87-89.

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