三維激光掃描儀在地下空間測(cè)繪中的應(yīng)用

倪榮雷

浙江煤炭測(cè)繪院有限公司 浙江 杭州 310021

引言

伴隨著城市化水平的不斷提高，城市快速發(fā)展與土地資源有限的矛盾日益突出[1]。作為城市的戰(zhàn)略資源，城市地下空間可以用來(lái)建設(shè)地下交通、人防、地下商業(yè)等，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。合理、高效地開(kāi)發(fā)地下空間，促進(jìn)地上地下協(xié)調(diào)發(fā)展，是提高城市土地利用效率、降低城市中心密度、擴(kuò)大容量、改善城市生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

1 三維激光掃描系統(tǒng)概述

測(cè)繪地理信息服務(wù)是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作,既要選擇測(cè)繪基準(zhǔn)，又要確定測(cè)繪內(nèi)容，還要有具體的操作技術(shù)要求和正式規(guī)范，這些都需要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的約束和支持。在作業(yè)環(huán)境、測(cè)量精度、測(cè)量速度、三維建模等方面，傳統(tǒng)的地下空間測(cè)量方法都不能令人滿意。三維激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)之后的又一次測(cè)繪技術(shù)革命，它集主動(dòng)、高度緊湊、數(shù)字化、快速、非接觸、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)于一身[2]，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)繪技術(shù)，它集三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將獲取方法、服務(wù)能力和測(cè)繪數(shù)據(jù)水平推向一個(gè)新的高度。

三維激光掃描系統(tǒng)主要包括相位和脈沖兩部分，其中包括激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、伺服電機(jī)控制模塊、圖像采集模塊、旋轉(zhuǎn)濾波器、定時(shí)器、微處理器、電路板及軟件等。周期性地控制激光束的發(fā)射，激光接收模塊接收目標(biāo)反射信號(hào)，通過(guò)石英定時(shí)器精確穩(wěn)定地計(jì)算出激光發(fā)射與接收信號(hào)的時(shí)差。最終，在微處理系統(tǒng)中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了儀器到采樣點(diǎn)之間的空間距離。掃描系統(tǒng)由伺服電機(jī)控制系統(tǒng)以預(yù)設(shè)的角速度和方向驅(qū)動(dòng)，同時(shí)控制攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，最后利用距離、角度、圖像等信息，計(jì)算出點(diǎn)云的三維坐標(biāo)和紋理。

1.1 通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)分類(lèi)

航空激光掃描系統(tǒng)：機(jī)載掃描系統(tǒng)適合遠(yuǎn)距離目標(biāo)點(diǎn)和影像數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將激光掃描儀、GPS定位、慣導(dǎo)系統(tǒng)、高分辨率數(shù)碼相機(jī)等集成在一起，是一種在飛行器平臺(tái)上運(yùn)行的高精度探測(cè)技術(shù)，該系統(tǒng)利用激光掃描和航空攝影測(cè)量原理，快速、高效地獲取掃描區(qū)域的三維坐標(biāo)和紋理信息。所收集的數(shù)據(jù)可產(chǎn)生精確數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字地面模型（DSM）和數(shù)字正交（DOM）地圖。車(chē)載式激光掃描系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要集成了激光掃描裝置、數(shù)碼相機(jī)、GPS定位模塊和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，安裝在汽車(chē)、船舶等移動(dòng)平臺(tái)上。該系統(tǒng)主要用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、圖像數(shù)據(jù)采集、軌跡記錄等功能。掃描儀的各個(gè)組成部分是掃描儀工作效率的關(guān)鍵。掃描儀的精確度和視場(chǎng)角度的大小直接影響現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)采集的效率。地表固定掃描系統(tǒng)：主要包括掃描設(shè)備、控制器、存儲(chǔ)和供電系統(tǒng)、高分辨率攝像機(jī)、內(nèi)控校正系統(tǒng)等。掃描儀是一種水平和垂直旋轉(zhuǎn)鏡的儀器，測(cè)量每一個(gè)脈沖信號(hào)從漫反射目標(biāo)區(qū)依次掃描激光脈沖信號(hào)，測(cè)量每一個(gè)脈沖信號(hào)從漫反射目標(biāo)的時(shí)間或相位差，記錄水平掃描角度，垂直掃描角度和相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)的反射強(qiáng)度，并自動(dòng)存儲(chǔ)和計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從掃描得到的數(shù)據(jù)和來(lái)自高分辨率數(shù)碼相機(jī)的圖像可通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到計(jì)算機(jī)。利用計(jì)算機(jī)軟件處理點(diǎn)云和圖像，可以快速生成點(diǎn)、線、面的三維模型和特征信息。手持激光掃描系統(tǒng)：可攜帶三維空間坐標(biāo)在掃描范圍內(nèi)采集目標(biāo)表面，手持掃描儀主要有三種工作方式：線纜掃描、點(diǎn)掃描、面掃描，一般用于測(cè)量物體的幾何或曲面特征信息，通過(guò)三維模型重構(gòu)掃描數(shù)據(jù)，生成物理數(shù)字模型。

1.2 三維激光掃描系統(tǒng)原理

采用漫反射原理激光掃描系統(tǒng)，保證了激光傳輸?shù)男盘?hào)在幾乎相同的路徑被掃描儀的接收器捕獲。利用精確時(shí)鐘獲取時(shí)差，利用水平和縱向旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)設(shè)速度和方向來(lái)驅(qū)動(dòng)反射鏡，計(jì)算目標(biāo)與儀器接收器之間的距離S。該儀器記錄了編碼器中相鄰脈沖間的縱向掃描角和水平掃描角α。用極坐標(biāo)法把距離和角度變換成待測(cè)點(diǎn)w的坐標(biāo)。掃描程序使用定制的工程坐標(biāo)系，其中X軸定義在橫向掃描平面上，Y軸與X軸垂直，在同一掃描平面上Z軸與橫向掃描平面垂直。

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

該系統(tǒng)由激光測(cè)距儀、伺服電機(jī)、高清CCD點(diǎn)陣相機(jī)、微控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模塊、后處理軟件等組成[3]。它利用激光測(cè)距和高精度時(shí)鐘采集時(shí)間，在掃描區(qū)域內(nèi)保存復(fù)雜的幾何數(shù)據(jù)和圖像。利用功能強(qiáng)大的后處理軟件完成坐標(biāo)輸出，根據(jù)用戶需要進(jìn)行三維建?；蛱崛√卣餍畔?。所以激光掃描儀需要兩個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)它的全部潛能：一個(gè)是掃描操作系統(tǒng)的模塊，另一個(gè)是數(shù)據(jù)后處理軟件。掃描裝置配置的數(shù)據(jù)處理軟件不僅能轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)登記和數(shù)據(jù)建模。當(dāng)然，也可以使用第三方軟件進(jìn)行后處理。

2 地下空間測(cè)繪及其特點(diǎn)

2.1 地下空間測(cè)繪對(duì)象和內(nèi)容

地下空間是一個(gè)廣義的概念，它具有外延和內(nèi)涵。地下空間是指規(guī)劃區(qū)地表以下為滿足生產(chǎn)、生活需要而開(kāi)發(fā)、建設(shè)和利用的空間。地下空間設(shè)施是規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)的具有特殊功能的設(shè)施或系統(tǒng)。地下空間是一種以地下空間及其設(shè)施為對(duì)象的地下空間測(cè)繪技術(shù)。對(duì)地下空間及其設(shè)施的分類(lèi)有不同的規(guī)劃。在規(guī)劃方面，《地下空間規(guī)劃國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》根據(jù)其主導(dǎo)功能，對(duì)地下空間的功能進(jìn)行了規(guī)范，將其應(yīng)用范圍劃分為七類(lèi)：地下交通設(shè)施、地下市政公共設(shè)施、地下公共管理和公共設(shè)施。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T28590-2012 《地下空間設(shè)施分類(lèi)與規(guī)范》，地下空間設(shè)施按功能、主要功能特點(diǎn)和設(shè)施實(shí)體類(lèi)別分為3類(lèi)，以上兩大類(lèi)主要是地下空間功能和設(shè)施功能。測(cè)繪是人工確定、收集和表達(dá)物理地理要素的形狀、大小、空間或面的中間位置，以及其屬性，處理和提供所獲得的數(shù)據(jù)、信息和結(jié)果。地下建筑是指除地下交通設(shè)施、綜合管廊、地下管線、地下管線、地下管線、地下管線等以外的建筑及附屬設(shè)施，其中，主要是為行人、車(chē)輛、停車(chē)設(shè)施等而建造的地下設(shè)施；綜合管廊是指鋪設(shè)二級(jí)及以上工程管道而在地下修建的專(zhuān)用隧道及附屬設(shè)施，包括主干綜合管廊、分支綜合管廊和電纜管廊；地下管線是指地下給水、排水、燃?xì)狻崮?、通訊、工業(yè)管線及附屬設(shè)施；地下建筑指除地下交通設(shè)施、綜合管廊、地下管線以外的其他地下空間建（構(gòu)）筑物及附屬設(shè)施。它綜合考慮了測(cè)繪學(xué)專(zhuān)業(yè)基本特征、野外測(cè)繪生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式、目標(biāo)空間信息和屬性信息的內(nèi)容以及測(cè)繪成果的表現(xiàn)形式，使其更適合于專(zhuān)題或綜合性。例如，地下空間的測(cè)量、制圖、數(shù)據(jù)管理和結(jié)果應(yīng)用（例如，地下公共管理和公共服務(wù)設(shè)施、地下商業(yè)服務(wù)設(shè)施以及地下物流和儲(chǔ)存設(shè)施）具有相似的空間幾何特征和表現(xiàn)形式，很容易按其性質(zhì)劃分設(shè)施類(lèi)型和主導(dǎo)功能。地下空間測(cè)繪是為開(kāi)發(fā)利用地下空間提供服務(wù)和保障的測(cè)繪地理信息活動(dòng)，屬于工程測(cè)量范疇，一般包括控制測(cè)量、狀態(tài)測(cè)量、施工測(cè)量、調(diào)查等工作。

2.2 地下空間測(cè)繪的基本特點(diǎn)

地下空間測(cè)繪的特點(diǎn)是：①地下空間的特點(diǎn)。井下空間測(cè)繪中，在很多情況下，特征點(diǎn)只能確定為內(nèi)角點(diǎn)，許多隱藏點(diǎn)難以直接測(cè)定，因此通常需要用相對(duì)測(cè)量來(lái)驅(qū)動(dòng)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)高程。其測(cè)量方法受地下空間條件的限制。②地面和地下接觸。由于地下空間的規(guī)劃、建設(shè)和使用，必須考慮到相應(yīng)的地面空間，即通過(guò)連接測(cè)量統(tǒng)一的下平面坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)。③主題與綜合相結(jié)合。地下空間調(diào)查可以綜合、專(zhuān)題、整體或局部地進(jìn)行，按類(lèi)型、功能、空間劃分和所有權(quán)劃分，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)測(cè)繪，根據(jù)需要確定專(zhuān)項(xiàng)測(cè)繪內(nèi)容和成果要求。④目前對(duì)三維表達(dá)的要求越來(lái)越高，與地面地形相比，三維表達(dá)能夠更加全面、直觀地描述地下空間的位置特征及各設(shè)施之間的關(guān)系，三維表達(dá)是地下空間制圖的基本要求。

2.3 傳統(tǒng)地下空間測(cè)繪方法。

傳統(tǒng)測(cè)量模式地下空間通常采用內(nèi)角測(cè)量的方法；若不能直接測(cè)量?jī)?nèi)角，則用紅外測(cè)距儀或鋼尺測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)的距離。

2.3.1 內(nèi)角測(cè)量方法。常用的地下空間內(nèi)角測(cè)量方法有極坐標(biāo)法、紅外測(cè)距法、鋼尺法等。如圖2所示。

圖2 內(nèi)角測(cè)量方法

地下隱蔽空間邊界的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)手段包括鋼尺、沖擊回波測(cè)厚儀、根據(jù)竣工圖外推外墻厚度等。

2.3.2 反外推。因?yàn)榈叵驴臻g的測(cè)量只能測(cè)量可見(jiàn)內(nèi)角，所以有很多隱藏或封閉的部分不能被測(cè)量，因此，采用外推法進(jìn)行內(nèi)角可見(jiàn)測(cè)量。①地下空間周邊邊界定位計(jì)算的目的是準(zhǔn)確計(jì)算空間建筑面積，確定地下空間周邊邊界的定位方法。②地下空間外部邊界的位置選擇原則是由內(nèi)部可見(jiàn)角度坐標(biāo)確定的。根據(jù)下面的格式，確定工程驗(yàn)收?qǐng)D紙上的外墻（不包括防水和抗震墻）的厚度，而在地下空間（包括地下室）中，房屋的長(zhǎng)度只能測(cè)量?jī)?nèi)徑，因?yàn)橥鈮Φ暮穸炔荒軠y(cè)量，而外墻的厚度以竣工驗(yàn)收?qǐng)D上的標(biāo)記為準(zhǔn)，并據(jù)此計(jì)算地下空間的邊長(zhǎng)，周邊邊界點(diǎn)的確定應(yīng)遵循水平面和垂直面相同的原則，以確保地下空間測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 三維激光掃描儀在地下空間測(cè)量應(yīng)用

地下空間測(cè)繪目的是獲取地下空間邊界的平面坐標(biāo)和高度數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀能快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)，可以快速大量采集地下空間的點(diǎn)位信息。

3.1 三維激光掃描儀的工作流程

三維激光掃描儀用于地下空間的測(cè)繪流程，包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、控制測(cè)量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云處理、建筑物輪廓提取及三維建模。

3.2 點(diǎn)云采集

掃描工作前，應(yīng)對(duì)地下空間進(jìn)行全面調(diào)查，了解地下空間地面、地下接觸通道及其位置，以及地下空間的總體分布。地下空間項(xiàng)目規(guī)模，依據(jù)控制點(diǎn)分布情況合理安排掃描測(cè)站線，留意掃描站的布局和目標(biāo)布局：掃描站應(yīng)該在一個(gè)安全的地方。視點(diǎn)寬，地面穩(wěn)定，掃描范圍要覆蓋整個(gè)掃描對(duì)象，站數(shù)要盡量少。在目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、觀察困難、有線的情況下，應(yīng)在拐角處適當(dāng)增加掃描點(diǎn)。通過(guò)對(duì)線幀站的掃描，保證了相鄰測(cè)量站間存在一定程度的重疊。在掃描空間中要均勻分布目標(biāo)，相鄰兩個(gè)掃描站的公共目標(biāo)數(shù)量不得少于3個(gè)。

3.3 點(diǎn)云處理

點(diǎn)云處理包括點(diǎn)云定位、坐標(biāo)變換、分類(lèi)降噪、分割細(xì)化等，由掃描儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)登記，并可選取球體目標(biāo)或特征點(diǎn)。及時(shí)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分配到不少于3個(gè)同名點(diǎn)，經(jīng)分配后，內(nèi)部匹配點(diǎn)間距誤差不得小于規(guī)范規(guī)定的1/2。點(diǎn)云分類(lèi)法是根據(jù)電磁波反射不同目標(biāo)反射強(qiáng)度的信息特征，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，便于后期二維平面的繪制和三維建模。因?yàn)槭艿皆O(shè)備精度、操作人員經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境因素、電磁波衍射特性、被測(cè)物體表面特征和數(shù)據(jù)拼接匹配操作過(guò)程的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)必然具有一定的降噪效果，需要通過(guò)過(guò)濾或人機(jī)交互來(lái)處理[4]。對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行直接處理不僅浪費(fèi)大量的時(shí)間，而且消耗大量系統(tǒng)資源，保持適當(dāng)?shù)膸缀文Ｐ图?xì)節(jié)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取后的最大點(diǎn)間距應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的間距要求，而不影響模型重建精度。

3.4 輪廓提取

描述建筑物形狀的主要參數(shù)有：建筑物的特征面、 特征點(diǎn)及特征線。特征線是聯(lián)系另外兩個(gè)參數(shù)的紐帶，特征點(diǎn)可由特征線相交得到，特征面可由特征線共面來(lái)定義。特征線一般包括建筑物的邊界線、輪廓線等。利用軟件的自動(dòng)提取和人工手動(dòng)提取相結(jié)合的方式將地下建筑物的輪廓線提取出來(lái)，用于繪制立面圖、平面圖等。

3.5 三維建模

利用三維激光掃描儀獲取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像，在軟件中生成建筑物的三維立體模型。由于可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通過(guò)控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的建筑坐標(biāo)系中，因此三維模型中的每一個(gè)點(diǎn)都有在規(guī)定坐標(biāo)系下的真實(shí)坐標(biāo)，可以直接對(duì)模型進(jìn)行測(cè)量，在速度、精度、數(shù)據(jù)處理等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，其發(fā)展?jié)摿艽螅S激光掃描儀作為測(cè)繪領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用十分廣泛。一般而言，三維激光掃描儀基本涵蓋了測(cè)繪的各個(gè)領(lǐng)域，具有面積大、自動(dòng)化程度高、速度快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)精度方面的優(yōu)勢(shì)克服了傳統(tǒng)測(cè)量在地下空間測(cè)繪中的局限性，結(jié)合相關(guān)軟件，可快速、準(zhǔn)確、高效地獲取地下空間的平面圖和三維模型，它的應(yīng)用為地下空間測(cè)繪提供了一種有效的方法，對(duì)推進(jìn)智慧城市建設(shè)具有重要意義。