三維激光掃描技術(shù)在特殊結(jié)構(gòu)測量中的應(yīng)用

李 超

(濟(jì)南旌圖信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南250101)

一、引 言

從1995年Cyrax推出世界上第一臺三維激光掃描儀的原型產(chǎn)品開始，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)走過了十幾年的歷程;它是繼GPS之后，測繪行業(yè)在技術(shù)上的又一次飛躍。在十幾年的發(fā)展歷程中，三維激光掃描技術(shù)無論是在硬件設(shè)施上，還是在應(yīng)用領(lǐng)域上，都在快速不斷的向前發(fā)展;如今，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段?；诘孛娴娜S掃描系統(tǒng)目前正引起廣泛的關(guān)注，它是三維激光掃描發(fā)展的一個重要方向。該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評估、船舶設(shè)計、數(shù)字城市、軍事分析等各個領(lǐng)域也有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索［1］。

傳統(tǒng)的測量方式是單點測量，獲取單點的三維空間坐標(biāo)，而三維激光掃描測量技術(shù)不需要合作目標(biāo)，即不需要棱鏡，可以自動、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物體表面的密集的采樣點數(shù)據(jù)，也稱作點云。由于點云的數(shù)據(jù)量非常巨大，因此由傳統(tǒng)的點測量跨越到了面測量，實現(xiàn)了由量變到質(zhì)變的飛躍。同時，獲取的信息也從單純的點的空間位置信息擴(kuò)展到目標(biāo)物的紋理信息和色彩信息。三維激光掃描技術(shù)的獨特的優(yōu)勢表現(xiàn)在:①數(shù)據(jù)獲取的速度快，實時性強(qiáng);②數(shù)據(jù)獲取全面，精度高;③全天候作業(yè)，不受光線的影響，主動性強(qiáng);④ 數(shù)據(jù)表達(dá)清楚明了，表達(dá)簡單［2］。

二、三維激光掃描儀簡介

1.三維激光掃描儀的組成

三維激光掃描儀的配置主要包括:一臺高速精確的激光測距儀、一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。部分儀器具有內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)，可以直接獲得目標(biāo)物的影像。通過傳動裝置的掃描運動，完成對物體的全方位掃描，從而獲取目標(biāo)表面完整的點云數(shù)據(jù)。

激光測距儀主要由激光發(fā)射器、接受器、時間計數(shù)器、微電腦組成。激光測距主要基于兩種測量原理:脈沖測時測距和激光相位差測距。脈沖式測時測距也叫基于飛行時間的測距，是根據(jù)脈沖激光從發(fā)射到接收的時間差和光速來測距的。相位式測距則是通過測定激光在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲而間接測定傳播時間，從而求得待測距離。無論是脈沖式還是相位式，三維激光掃描儀的硬件主要的度量指標(biāo)有速度、角度、長度、精度和穩(wěn)定度［3］。

2.脈沖式三維激光掃描儀工作原理

脈沖式三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量的方法，以點云形式表現(xiàn)目標(biāo)物體表面的幾何特征。脈沖式測距主要包括以下4個過程:激光發(fā)射器周期地驅(qū)動激光二極管發(fā)射激光脈沖，同時接收由目標(biāo)物表面返回的反射信號，利用穩(wěn)定的石英鐘對發(fā)射與接收時間差作計數(shù)，利用微電腦計算儀器和掃描點間的距離。儀器自身發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭中心，鏡頭通過快速而有序地旋轉(zhuǎn)將激光依次掃過被測區(qū)域，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，內(nèi)部微電腦通過計算光束的飛行時間從而計算出激光光斑與掃描儀兩者之間的距離;與此同時，儀器通過內(nèi)置角度測量系統(tǒng)來量測每一激光束的水平角與豎直角，進(jìn)而獲得每一個掃描點在掃描儀所定義坐標(biāo)系內(nèi)的X、Y、Z坐標(biāo)值。三維激光掃描儀在記錄激光點三維坐標(biāo)的同時也會將激光點位置處物體的反射強(qiáng)度值記錄，并稱之為“反射率”。脈沖式三維激光測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖式三維激光測量原理示意圖［4］

三、實例分析

1.研究背景

本次實例研究是以HDS8800三維激光掃描儀為工具，對長江口某需要水下施工的棧橋進(jìn)行掃描。利用掃描數(shù)據(jù)，確定施工范圍內(nèi)傾斜柱型橋墩水下48 m處中心點的坐標(biāo)，為水下新設(shè)備安裝碰撞檢測分析提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)利用I-SITE STUDIO和Cyclone兩款軟件進(jìn)行處理。首先對橋墩數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、拼接、整理，然后進(jìn)行擬合、計算，得到最終的成果數(shù)據(jù)，解決了常規(guī)測量無法實現(xiàn)或很難實現(xiàn)的測量難題。

2.測量過程

(1)掃描前的準(zhǔn)備工作

實地查看棧橋橋墩的分布，根據(jù)周圍環(huán)境找到架站最合適的設(shè)站位置進(jìn)行標(biāo)記。位置的選取以掃描到最多橋墩數(shù)據(jù)為目標(biāo)。根據(jù)實地情況，最后選定在棧橋兩端分別設(shè)置一個測站，兩站能夠通視。利用GPS對兩個測站坐標(biāo)進(jìn)行定位測量，并進(jìn)行差值改正，得到準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)值。

(2)掃描過程

按照常規(guī)測量作業(yè)方法分別在兩個測站上架設(shè)掃描儀，對中整平完成后，將測站坐標(biāo)和后視點坐標(biāo)輸入操作手簿，調(diào)整進(jìn)行后視定向，定向完成進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)獲取，根據(jù)數(shù)據(jù)檢查定向是否準(zhǔn)確。確認(rèn)定向準(zhǔn)確后，根據(jù)手簿數(shù)據(jù)框選棧橋需要掃描的區(qū)域進(jìn)行掃描。掃描完成后查看掃描點云，如果遠(yuǎn)處的橋墩數(shù)據(jù)少則進(jìn)行局部精掃描。

根據(jù)上述流程，本次共掃描獲取了兩站數(shù)據(jù)。掃描數(shù)據(jù)獲取完整，并已經(jīng)轉(zhuǎn)換到實地坐標(biāo)系統(tǒng)。單站掃描需要時間在10 min左右。點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 點云數(shù)據(jù)

(3)數(shù)據(jù)驗證

兩站數(shù)據(jù)掃描完成后，利用全站儀免棱鏡模式對棧橋蓋梁的特征角點進(jìn)行測量記錄，利用這些數(shù)據(jù)對點云進(jìn)行精度驗證。

3.數(shù)據(jù)處理

要建立一個目標(biāo)物的數(shù)字模型，必須經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理操作。三維激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為兩個步驟:掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和模型建立［5］。

(1)掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理——點云精度驗證

將點云數(shù)據(jù)從操作手簿中導(dǎo)出并導(dǎo)入I-SITE STUDIO軟件中進(jìn)行三維瀏覽，同時將全站儀測量的棧橋蓋梁特征角點作為獨立的驗證數(shù)據(jù)導(dǎo)入比對。

(2)數(shù)據(jù)處理

比對糾正完成后，將不需要的大量外部點云刪除，以減少計算的工作量，同時消除多余點云對計算結(jié)算的影響。這一前期的數(shù)據(jù)處理稱之為去噪。最后分別將單站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Cyclone可以識別的點云數(shù)據(jù)scan1、scan2。以scan1處理過程為例，步驟如下:

1)墩柱的擬合和中心線的提取。利用Cyclone中的Model模塊，對測量范圍內(nèi)墩樁點云進(jìn)行計算擬合，得到墩樁的三維實體表面模型。此三維表面模型是采用實體對客觀物體進(jìn)行描述的一種方法。通過定義基本體素，利用體素的集合運算或基本變形操作構(gòu)造所需要的實體。利用這種方法可以完整地、清楚地對物體進(jìn)行描述，并能夠?qū)崿F(xiàn)對可見邊的判斷。實體模型可以完整地描述物體的所有幾何信息［6］。軟件擬合中采用最小二乘法，由于擬合是基于大量的點云進(jìn)行計算，因此精度非常高。

墩柱擬合完成后，決定其中心線的兩個端點在軟件中可以捕捉到后，選中圓柱兩端點創(chuàng)建一條線段即為墩樁的中心線。依照上述方法，分別對設(shè)計范圍內(nèi)的所有墩柱進(jìn)行擬合提取，得到所有墩柱的中心線，如圖3所示。

圖3 墩柱的擬合和中心線提取

2)提取每根柱子蓋梁以下斜長48 m處的中心點坐標(biāo)。因為每根柱子設(shè)計傾斜角度相同，根據(jù)其中一根找到這個角度，計算其48 m處在豎直方向上的Z值，在Z值處設(shè)置一個參考面，將所有柱子延長至此參考面即可得到所有柱子在48 m處中心點的坐標(biāo)。

利用Cyclone中的Survey模塊得出柱子的傾斜角度約為9.3°，根據(jù)此角度計算傾斜距離48 m處的Z值約為-42.050 m，以此值為基準(zhǔn)作水平參考面，將所有的中心線延長至參考面，測量每根中心線的長度。至此得到了所需要的48 m處中心點坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 延長墩樁的測量結(jié)果

3)對所有柱子的中心點坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計記錄。按照上述過程和方法，對第二站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計記錄。進(jìn)行兩次測量的目的就是使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確并可以對比檢測。利用上述兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將超過誤差范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次計算，從而得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果;而在誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)可以求其平均值作為最終的處理成果。本次掃描最終的處理成果見表1。

表1 蓋梁下48 m處墩柱中心點坐標(biāo) m

四、結(jié)束語

三維激光掃描作為一種新興測量手段，正在逐步改變傳統(tǒng)的測量方法，因儀器本身的性能及其點云數(shù)據(jù)信息量大等得到用戶認(rèn)可的同時，越來越多具有前瞻性的測量人員正試圖用它尋求更加快捷、方便的方法。本文利用三維激光掃描技術(shù)對圓柱形傾斜墩樁進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和建模，從而提取出特殊位置的數(shù)據(jù)信息，解決了傳統(tǒng)方法無法解決的問題。數(shù)據(jù)成果經(jīng)過檢驗，符合最終成果的要求。

［1］李濱.徠卡三維激光掃描系統(tǒng)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.測繪通報，2008(6):72-73.

［2］DINESH M，RYOSUKE S.Auto-extraction of Urban Features from Vehicle-borne Laser Data［C］∥Symposium on Geospatial Theory Processing and Application.Ottawa:［s.n.］，2002.

［3］李濱，李躍明，宋濟(jì)宇.地面三維激光掃描系統(tǒng)中的“五度”研究［J］.測繪通報，2012(3):43-45.

［4］趙陽，余新曉，信忠寶，等.地面三維激光掃描技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用與展望［J］.世界林業(yè)研究，2010(4):40-45.

［5］張會霞，陳宜金，劉國波.基于三維激光掃描儀的校園建筑物建模研究［J］.測繪工程，2010(1):33-34

［6］鄭德華.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的理論與方法［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2005.