三維激光掃描儀在地形測量中應用

王建華 胡小峰

【摘 要】掃描系統的發展起始于 1960 年代左右，早期的掃描儀主要應用于隧道、井、以及橋梁的對齊操作、變形測量、以及工程測量。隨著大量的研究開發以及計算機設備的發展，直至 1990 年代中期才廣泛應用于地形測量。三維激光掃描技術能獲取目標的空間信息，具有大面積、高自動化、高速率、高精度的測量的特點，采集過程安全簡單、節省人力并且具有強大的數據理能力，幾乎可以提供任何位置、任何細節的信息，作業成果完全能滿足高寒地區地形測量。

【關鍵詞】三維激光 掃描儀 測繪 應用

RIEGL VZ-4000三維激光掃描技術是現在國際獲取空間多目標三維數據最先進的長距離影像測量測量技術，由于它是將傳統測繪系統的測量擴展于到了面測量，能夠深入到復雜的空間和現場環境中進行掃描測量，直接將各種復雜的、大型的目標物體所掃描的點云數據完整地輸入到計算機中，然后構出目標物體。

1 RIEGL VZ-4000掃描系統組成

RIEGL VZ-4000是地面型激光掃描系統的固定式三維激光掃描儀，其掃描系統組成包括以下：

（1）超長測程。高速、高分辨率提供高達4公里的超長測程以及豎直60°，水平360°的廣闊視場角范圍。采用不可見的對人眼安全的一級激光。

高精度以及可信賴的超遠測程是基于RIEGL VZ系列掃描儀獨一無二的數字化回波和在線波處理功能，即使在沙塵、霧天、雨雪等能見度非常差的天氣作業時，也能按需獲取高精度測量及多重目標回波的識別。

（2）波形數據輸出（可選的）。數字化回波信號，也被稱為波形數據，通過VZ-4000獲取用于進行波形分析。

表1操作模式

Laser PRR 30 kHz 50 kHz 150 kHz 300kHz

有效測量速度

目標反射率：p≥90%

目標反射率：p≥20% 23000點/秒

4000m

2300m 37000點/秒

3100m

1700m 113000點/秒

2400m

1200m 222000點/秒

2400m

1200m

目標回波接受的最大數量 無限次回波m

（3）內置數碼相機。內置分辨率為2060×1920 pixels（5M）像素的數碼相機，自動曝光控制。數碼相機視場范圍為7.2°×5.5°（垂直×水平）可通過棱鏡旋轉獲取覆蓋整個視場一定數量的高分辨率的全景照片，與掃描測量成果相結合，創建三維數字模型，為地質、巖土、公路設計的調查提供相應的服務保障。

（4）內置雙軸傾斜補償和GPS。利用集成的GPS接收機（L1）或者外接GPS接收機，內置雙軸傾斜傳感器（補償范圍±10°，精度±0.008°）。

（5）內置數字磁羅盤。

（6）內置大容量數據存儲。

（7）內置激光鉛錘。

（8）外接電源。

（9）反射片。

（10）RIEGL軟件包。

2 RIEGL VZ-4000掃描儀的基本原理

三維激光掃描儀發射器發出一個激光脈沖信號，經目標表面漫反射后，沿幾乎相近的路徑反向傳回到接收器，計算目標點與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量是儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，得P的坐標。

圖1掃描儀三維計算示意圖與公式。

3 RIEGL VZ-4000掃描儀外業數據采集

外業數據采集采用自由架站的方法進行，即不輸入掃描站的坐標和定向坐標，使用RTK或全站儀采集反射片的坐標。

外業數據采集包括反射片及控制點布設與測量、數據全景掃描和外業掃描精的控制三部分工作。

3.1反射片布設及測量

在外業數據采集時，需要在測站位置周圍3米外7米內布設3個以上不在同一條線上反射片。由于掃描儀與被掃描目標所形成的夾角不同、分辨率不一樣，夾角越小，分辨率越低；對于不同的掃描距離，點的精度也不同；另外還存在有障礙物不能通視的情況，因此有很多測站掃描的數據拼接到一起完成。為了拼接和數據管理方便，把反射片的點名與掃描站的站數命名一致，如掃描站默認第一站站名為ScanPos001，那么反射片點名為K001-1、K001-2、K001-3。默認第二站為ScanPos002， 那么反射片點名為K002-1、K002-2、K002-3， 以此類推。使用RTK或全站儀測量反射片坐標。

3.2確定采樣間隔和數字化回波信號頻率

采樣間隔和數字化回波信號頻率設置很重要，采樣間隔大，給數據處理精度造成影響；采樣間隔小，則采集到的點云數據量龐大，給數據的傳輸、保存以及后期的數據處理帶來很大的麻煩。掃描儀內設有掃描脈沖時間60和80。

數字化回波信號頻率有 30 kHz 、50 kHz、150 kHz、300 kHz四種模式。通視條件好的情況下，保證相鄰測站間有一定的點云重疊區域，通視條件不好，則應選擇適當位置增加掃描站數，直至需要測量的目標全部掃描完成經驗值配對表。

表2經驗值配對表

距離 脈沖時間 數字化回波信號頻率

500米以內 80/60 300 kHz

距離 脈沖時間 數字化回波信號頻率

1000米以內 60/80 150 kHz

1000-2000米以內 60 50 kHz

2000米以上 60 30 kHz

3.3外業掃描精度的控制

選擇晴朗、大氣環境穩定、能見度高、0℃-40℃氣溫的環境中掃描作業，減少大氣中水汽、雜質等對于激光傳輸路徑以及傳輸時間的影響；對于目標對象的透射或者鏡面反射表面要做處理，防止丟失信號、弱激光信號對精度的影響；避免非靜態因素的影響。例如：人、下雪、下雨、等等。

4 RIEGL VZ-4000掃描儀內業數據處理

RisCAN PRO是奧地利Riegl公司為RIEGL儀系三維掃描儀開發的軟件，它具有強大的數據配準功能，能夠將模型導出多種比較通用的數據格式。

外業掃描到的點云數據量非常大，既包含有用的數據，也包含車輛、行人、雪、雨等無用的數據，這些無用的數據，我們稱之為噪點數據。這些點云數據必須要經過處理。從點云到測繪成果的實現包括掃描數據分區、反射片的選取、建立掃描站點云數據模型、點云拼接、坐標轉換、數據抽隙、去噪點、格式轉換、生成南方CASS坐標數據文件。

4.1 掃描站數據分區

根據地形和精度的限制，本工程把測區掃描站分了18個區塊。

4.2反射片的選取

一般在2D視圖下，灰度模式中的點云數據中選取反射片，灰度值軟件根據爆光度計算。在3D視圖中拖入標記的反射片來檢查標記的反射片位置是否正確-，若發現反射片選取偏離，可在掃描站中的TPL中刪除改點，在3D視圖中重新選擇。為了拼接和數據管理方便，把點云數據反射片的點名與掃描站的站數命名一致，如掃描站默認第一站站名為ScanPos001，那么反射片點名為TP001-1、TP001-2、TP001-3。默認第二站為ScanPos002， 那么反射片點名為TP002-1、TP002-2、TP002-3以此類推。

4.3建立掃描站點云數據模型

建模設定參數主要有三個：

（1）max plane error=0.02m、（設置最大平面的誤差）；

（2）max edge lenth=2m、 （設置最大三角形邊長）；

（3）reference range=150m。（設置最站與站重疊長度或測程的一半）。

4.4點云數據拼接

把從各個掃描站上掃描得到的點云數據，找出正確的排列關系，使它們能夠擬合成一個整體的點云數據，即把不同基準下的點云數據轉換到同一基準下的點云數據，這個過程叫做點云數據拼接。其實質是把不同的坐標系下的點云數據進行坐標變換。點云數據拼接技術按過程分為，粗略拼接和精確拼接。

4.4.1粗略拼接

將不同坐標系下的點云數據大致轉換到同坐標系下，為精確拼接提供出始值。通過點云數據反射片坐標TPL（socs）與RTK所測的直角坐標TPL（GLCS）進行點與點匹配。設置的容差和匹配點個數，如果無法匹配的時候首先檢查容差設置和匹配點數量的設置，如果還不行，打開3D點云看選取的位置是否在所要選取的位置上，這個過程叫粗略拼

4.4.2精確拼接

通過迭代優化一組坐標轉換參數，實現拼接誤差最小。設置的參數（設置搜索半徑，半徑大小根據粗略拼的結果來定；設置誤差遞減，幅度不要太大。打開多站點拼接命令，選取一個掃描站作為這個區塊的基準后鎖定，在拼接過程中一定要一站一站拼接。根據計算的結果，重復設置更小參數直至達到最優結果；檢查點云數據，看無明顯分層即可。

4.4.3點云數據拼接精度控制

點云數據的擬合處理，是不同坐標系統之間轉換，轉換誤差主要是反射片的選取、控制網的精度、測量儀器的精度。

測量控制網精度控制在cm級，掃描站之間可通視的情況下，可以選擇點擬合特征點的方式拼接，選取高精度的測量儀器和測量方法，可提高成果精度。

4.5坐標轉換

首先需要刪除TPL（prcs）里的所有點，之后將每一站TPL（socs）中的點計算后復制到TPL（prcs），打開TPL（prcs）進行點對點匹配（坐標轉換）。以下是各個區的坐標轉換精度表；

（1）Correspong tiepingts（精拼坐標與RTK實測量坐標配對、坐標轉換的總點數）

（2）Standard deviation（掃描點拼接后區塊的中誤差）

用RTK對18個區塊進行高程內插檢測，最小差±0.10cm，最大差±100cm，因為是高寒區允許誤差為±120cm。滿足地質礦產勘查測量規范要求。

4.6數據抽隙

在OBJECTS里面的POLYDATA中新建一個POLYDATA文件，然后再出現的對話框中選擇所要合并的文件，并在設置中點擊octree命令在increment欄中確定抽希的間隔距離，勾選Conbine命令合并選擇的數據。如果認為所采集到的點云數據或者局部數據相對于工程本身過于密集，還可以對數據進行抽隙處理。

4.7去噪點

在點云數據采集過程中，由于車輛、行人、樹木等因素的影響，我們采集到了很多無用的數據，這些數據稱作噪聲數據，將這些數據的剔除過程叫做數據濾波。噪聲數據與有用數據點云的區別在于噪聲數據是不連續的、無規律的、比較稀疏而雜亂。利用這一特點可以將噪聲數據剔除。打開精確拼接后的點云數據，通過正視圖、側視圖等刪除躁點；部分選取數據，點擊terrian filter 按鈕，設置vegetation 剔除植被、mining-object剔除礦上上的物體、mining-points below terrain為剔除低于地面的點。在運行剔除植被之后，所有被軟件認為是植被的點將處于選擇狀態，在這當中通常會有一些坡、坎上的點，手動選擇需要保留的點。對點云數據進行檢查把不參與生成等高線的點手動框選刪除。

4.8 MTA空間

理想狀態下，激光將一束束發射，每一束激光發射和接受全部信號后，下一束激光才發射，但是由于激光發射頻率和掃描距離之間的相互影響，常常當發射的第一束激光時，部分距離較遠的回波還沒返回到掃描儀后，第二束激光已經發射出去了，這時在第二束激光發射后，第一束激光才返回來和第二束激光返回來的回波將產生影響，需要手動區分二者。

在長距離掃描儀過程中，通?？吹皆趻呙鑳x周圍產生很多飛點，這些飛點并不全是噪點，有些點是由于MTA效應的影響產生的，需要手動的將這些點選擇，然后點擊工具欄上的“MTA Tool”工具，設置MTA ZONE值為2，將這些點劃分到MTA ZONE 2中去，現這些點在遠處顯示成了真實的地物或者地表點。有時受到能見度的影響，掃描儀測程不能達到預期效果，這時選取后的點將在遠處形成球面形狀，這些點意為噪點可直接刪除。不使用這些點，在數據處理時可當植被點或者噪點剔除。

4.9 數據處理

拼接后點云數據在去噪處理時采用自動化和手工相結合的方式對誤差影響不大。后續數據處理盡可能減少格式轉化，基于點云數據的三維模型制作采用“測量——建?！蹦Ｊ?。二維圖件制作必須在測量對象的邏輯結構上進行制圖。

4.10動畫展示

RiSCAN PRO 軟件畫面中開啟所欲制作動畫的數據，于主要工作窗口按下右鍵，選擇 Create NewAnimation，即可進入產生動畫設定畫面。將主畫面數據旋轉至欲制做動畫的角度，按下 Add Pose 鍵后即可設定為第一視角，以此類推設定后續視角，軟件可計算出各點飛行距離，并可設定飛行時間、速度等參數，并可預視其飛行路徑；參數設定完畢后設定影片大小及壓縮格式即可產生動畫檔案。輸出檔案無需專業點云處理軟件亦可于其他計算機上播放（使用Windows 系統軟件內建的 Media player 即可），此動畫檔的傳輸將有利于了解現場測繪的完整情形。

5 結語

三維激光掃描技術能獲取目標的空間信息，具有大面積、高自動化、高速率、高精度的測量的特點，采集過程安全簡單、節省人力并且具有強大的數據理能力，幾乎可以提供任何位置、任何細節的信息，作業成果完全能滿足高寒地區地形測量。

通過實踐，發現地面三維激光掃描技術的普及也存在以下不足：

（1）數據采集過程當中受現場條件限制較多，如視場角、植被、地物，數據后處理較復雜，外業完成后需要較長時間的數據處理，耽誤后續工程的人員投入；

（2）儀器設備價格昂貴，進口的基本都在200萬元左右，現階段一個生產單位完全由傳統測量方式向三維激光掃描測量方式轉型不太現實。

（3）儀器自身和精度檢校困難，基準值求取復雜，精度不好評定。

（4）精度、測距與掃描速率存在矛盾關系。

基于這些不足，提出三維激光掃描儀的發展趨勢有以下幾個方面：

（1）三維激光掃描儀國產化，生產單位能用普遍使用。

（2）點云數據軟件處理公用化、多功能化。

（3）進一步擴大掃描范圍，實現全圓掃描，獲得空間目標點云數據。

相信隨著技術的發展，企業生產成本的降低，三維激光掃描技術這種“所見即所得”的測量方式必將在道路工程測量、文物、模具、軍事、航天、石化、醫學、交通等領域得到廣泛應用。

參考文獻：

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