三維激光掃描儀平緩地形分區掃描方法研究

劉會云，李永強，劉文龍，牛路標，毛 杰，閆陽陽，楊莎莎

（1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作454000；2.北京工業職業技術學院，北京100048）

激光掃描技術是近年來測繪領域迅速發展的一項前沿技術，具有數據獲取速度快、精度高、非接觸以及能快速獲取密集面陣點云等優勢，展示出廣闊的發展前景。按搭載平臺的不同，激光掃描主要分為機載激光掃描、車載激光掃描和地面三維激光掃描，其中地面三維激光掃描由于其相對方便靈活的特點，在文物保護、考古、精細三維建模、災害測量等領域得到廣泛應用［1-4］。地形測量是三維激光掃描應用的一個重要方面，通過快速獲取地表密集面陣點云，并采用相應數據處理方法，構建精細三維表面模型，為各種應用提供基礎數據支持。在工程施工中，利用精細三維表面模型為精確地形測量和土方量算提供技術支持，可快速掌握工程進展情況［5-8］。通過對同一區域不同時期精細三維表面模型的對比分析，可以在不需要控制點支持的情況下，從面覆蓋的角度實現地表變化探測與檢測，對于控制點布設困難以及控制點容易遭到破壞的監測和研究工作（例如危險滑坡體監測、沙漠變化監測、開采沉陷監測等［9-15］），具有重要意義。三維激光掃描儀在地形測量方面的應用日益普及，其中的一個重要方面就是平緩地形測量（如開采沉陷監測、工地施工測量、公路竣工測量等），受架設儀器高度的限制，在掃描平緩地形時，有效掃描半徑往往只有幾十米，在掃描邊緣區域時，掃描點密度非常稀疏，若要增加邊緣點密度，則需要大幅度增加掃描時間，作業效率受到限制。本文在深入分析三維激光掃描儀作業原理的基礎上，提出分區掃描方法，基于數據點密度均衡的原則，對不同掃描區域設置不同的掃描參數，合理分配數據點，減少冗余數據，縮短數據采集時間，提高對平緩地形測量的作業效率。

1 三維激光掃描儀工作原理

地面三維激光掃描儀主要有兩種工作模式：脈沖模式和相位模式，用于地形測量的三維激光掃描儀多為脈沖模式。激光掃描儀在內置伺服系統驅使下，在水平方向和垂直方向分別以等角度發射并接受脈沖信號，根據各脈沖飛行時間測量各掃描點到激光掃描儀中心的距離，根據各掃描射線與激光掃描儀自定義坐標軸的夾角，計算各數據點在掃描儀自定義坐標系內的坐標。在儀器高度H一定的情況下（見圖1），同一條豎直掃描線內，掃描儀以步進角度θ掃描數據，隨著掃描角度α的增加，掃描半徑逐漸增大，相鄰掃描點的間隔也逐漸增大，當掃描角度接近90°時，掃描半徑變得很大，相鄰掃描點的間隔也非常大。假設儀器中心距地面1.8m，則不同掃描角度α所對應的掃描半徑如表1所示。同樣，在水平方向內，激光掃描儀以等角度繞豎直軸旋轉，每步進一個角度，激光掃描儀獲取一條豎直掃描線數據，隨著掃描半徑的增加，相鄰豎直掃描線間數據的間隔也逐漸增加。

圖1 垂直方向掃描角度與掃描半徑關系示意圖

表1 掃描角度與掃描半徑對照表

圖2 數據點分布示意圖

圖2為激光掃描儀數據點分布示意圖，從圖中可以看出，激光掃描點在儀器中心附近，點的密度非常大，隨著距離的增加，掃描點密度逐漸減小，在邊緣區域變得非常稀疏。三維激光掃描儀對平緩地形測量的數據點分布非常不均衡，半徑10m的小區域集中了整個測站80%的數據點，存在大量冗余數據，而其它所有邊緣區域數據量僅為20%，外圍數據點密度嚴重不足，這是單一參數設置方法存在的主要問題。

2 分區測量方法

使用地形三維激光掃描儀獲取平緩地形數據時，一個重要的原則是盡可能獲得密度均衡的數據點。使用三維激光掃描儀獲取地表精細三維表面模型時，數據點密度是三維表面精度的重要保障，以開采沉陷監測為例，一般情況下，要獲得1～2cm的地表精度，數據點的間隔需要達到0.2～0.3m［13，16］，只有數據點密度達到一定程度時，才能成為有效掃描。在對平緩地形進行數據采集時，儀器架設高度有限的情況下，其數據分布非常不均勻：在儀器中心附近，數據點的密度非常大，數據點的間隔甚至達到mm級，遠遠超過應用需求，造成數據的嚴重浪費；在邊緣區域，數據點非常稀疏，這造成每測站的有效掃描半徑有限。激光掃描儀以一定的頻率發射激光脈沖，發射激光脈沖數量與掃描時間基本成正比關系，若使邊緣區域數據密度增加，則需要增加掃描點密度，勢必造成掃描時間大幅度增加，作業效率顯著降低。在每測站中，有效掃描半徑和掃描時間的矛盾，在一定程度上限制了三維激光掃描儀對平緩地形的測量應用。

三維激光掃描儀進行地形掃描時，在水平角度通常采用360°角度掃描，而在豎直角度設置時，不同掃描角度區間所覆蓋的環帶面積不同，其推導過程如下：設儀器高度為H，掃描角度區間為［α，α＋θ］，則環帶的內環半徑為H＊tanα，外環半徑為H＊tan（α＋θ），則環帶面積為 πH2［tan2（α＋θ）-tan2α］，如圖3所示，可以看出，隨著掃描角度α的增加，環帶的面積逐漸增加，當掃描角度α接近90°時，即使θ值很小，環帶面積仍然很大，若要保證環帶內掃描點的密度，則必須使水平和豎直方向的步進角度減小，增大環帶內數據點采集時間，增加數據點數量；當掃描角度α較小時，即使θ值較大，環帶面積仍然較小，若要提高數據采集效率，則需要增大水平和豎直方向的步進角度，縮短環帶內數據點采集時間，減少數據點數量。

圖3 掃描角度區間與環帶面積關系示意圖

基于上述分析，提出分區掃描方法：如圖4所示，根據到掃描儀中心距離的不同，將掃描范圍分為若干環狀區域，每個環狀區域分別對應不同的豎直掃描夾角，各區域基于掃描點密度均衡的原則，設置不同的掃描參數。在相同參數設置情況下，各環帶內靠近激光掃描儀中心的部分，其數據點仍然比遠離掃描中心區域數據點密度大，因此每個環帶所跨范圍不宜過大，一般情況下，最外圍環帶寬度以20～30m為宜，內圍以10～20m為宜。最外圍環帶所占的面積最大，而所包含的掃描角度非常?。?8°～89°之間），在豎直方向需要設置很小的掃描步進角，同時在水平方向的步進角也需要適當減小，這樣才能使整個區域數據點密度增大且相對均衡。最內圍環帶所覆蓋面積最小，所包含的掃描角度較大（45°～70°之間），在豎直方向需要設置較大的掃描步進角，在水平方向的步進角度也需要適度減小。在中間區域，可以設置2～4個環帶，相對于外圍的環帶，在豎直方向和水平方向步進角都要適當增大。

圖4 分區掃描原理

3 試驗分析

為驗證文中所述方法的有效性，作者進行了試驗對比分析，選擇地形平緩的開闊空地為試驗區（見圖5（a）），使用Leica Scanstation2激光掃描儀采集數據，儀器設置高度為1.8m，該款儀器掃描角度為360°×270°，采用360°方式掃描后，會在儀器下面留下半徑為1.8m的空洞區域。分別采用分區掃描方法和整體掃描方法獲取試驗區地形數據，參數設置和用時如表2所示。分區掃描方法共分為4個分區，用時26.5min，每次掃描參數設置時間為1min，共計30.5min。整體掃描用時86.5min，參數設置時間為1min，共計87.5min。從作業時間來看，分區掃描所花費時間為整體掃描花費時間的35%，作業效率明顯提高。

對各分區數據進行分析，結果如表3所示?？梢钥闯?，各分區環帶面積與所包含數據點個數呈正比，數據點分布均勻，數據點密度在100～300個／m2，邊緣點間隔均大于0.2m。以0.2m數據點密度為有效掃描范圍計算，其有效掃描半徑超過67m。對整體數據進行分析，按分區掃描半徑統計對應分區，結果如表4所示，可以看出，各分區面積所占比例與點數比例呈反比，數據點的分布極不均勻，以0.2m數據點密度為有效掃描范圍計算，其有效掃描半徑尚不足43m。豎直掃描角度分別為88°～89°、85°～88°、70°～85°、45°～70°的分區掃描方法為較為理想的方法，與整體掃描方式相比，前者在作業效率、有效掃描半徑等方面均有明顯優勢，數據點密度分布得到很大改善，利用效率明顯提高。

圖5 分區掃描結果對比

表2 試驗參數設置

表3 分區掃描結果分析

表4 整體掃描結果分析

4 結束語

本文從地面三維激光掃描儀基本工作原理出發，針對平緩地形掃描時點密度不均勻、冗余數據多、有效掃描半徑小等問題，提出分區掃描的方法，不同子分區設置不同的掃描參數，合理分配數據點密度，提高作業效率。分區掃描方法是對單一參數掃描方式的改進，掃描效率明顯提高，掃描半徑明顯增大，將進一步促進三維激光掃描儀在地形測量中的應用和研究。提高三維激光掃描儀對平緩地形測量的效率，主要從兩個方面進行改進：①從儀器性能入手，選擇性能更優的儀器，縮短單站掃描所需時間；②從作業方法入手，除文中所提出的分區掃描方法外，還可以增加掃描儀架設高度，以增加有效掃描半徑。盡管當前三維激光掃描技術發展迅速，儀器設備更新很快，每2～3年即完成一代技術更新，但作為價格昂貴的儀器設備，每款設備都需要有一定的使用年限，在追求儀器性能進步的同時，也需要重視對操作方法的改進。作者下一步研究重點將是研發專門輔助設備工具，在適合野外作業的情況下，有效增加三維激光掃描儀作業高度，增加有效掃描半徑，提高作業效率。

［1］李永強，劉會云，馮梅，等.大型古建筑文物三維數字化保護研究＿以白馬寺齊云塔為例［J］.河南理工大學學報：自然科學版，2012，12（2）：186-190.

［2］赫春曉，李浩.基于三維激光掃描數據的三維實景構建［J］.測繪工程，2013，22（1）：81-85.

［3］劉江濤，張愛武.三維數字化技術在三星堆遺址中的應用［J］.首都師范大學學報：自然科學版，2007，28（4）：68-71.

［4］歐斌.地面三維激光掃描技術外業數據采集方法研究［J］.測繪與空間地理信息，2014，37（1）：106-108.

［5］曹先革，楊金玲，司海燕，等.地面三維激光掃描點云數據精度影響因素及控制措施［J］.測繪工程，2014，23（12）：5-7.

［6］王春曉，紀育強，孫強，等.三維激光掃描技術在海洋模型試驗中的應用［J］.海岸工程，2013，32（2）：55-62.

［7］白立飛，潘寶玉，張蘭.三維激光掃描技術在數字礦山領域的應用［J］.測繪科學，2013，38（5）：178-179.

［8］雷朝鋒.基于三維激光掃描技術在豫北露天礦測量中的應用研究［J］.測繪與空間地理信息，2014，37（8）：96-98.

［9］OPPIKOFER T，JABOYEDOFF M，BLIKRA L，et al.Characterization and monitoring of the Aknes rockslide using terrestrial laser scanning［J］.Nat.Hazards Earth Syst.Sci.，9，1003-1019，2009.

［10］ABELLAN A，JABOYEDOFF M，OPPILOFER T，et al.Detection of millimetric deformation using a terrestrial laser scanner：experiment and application of a rockfall event［J］.Nat.Hazards Earth Syst.Sci.，9，365-372，2009.

［11］趙小平，閆麗麗，劉文龍.三維激光掃描技術邊坡監測研究［J］.測繪科學，2010，35（4）：25-27.

［12］丁連剛，嚴平，杜建會，等.基于三維激光掃描技術的草方格沙障內蝕積形態監測［J］.測繪科學，2009，34（2）：90-92.

［13］徐進軍，王海城，羅喻真，等.基于三維激光掃描的滑坡變形監測與數據處理［J］.巖土力學，2010，31（7）：2188-2191，2196.

［14］LI Yongqiang，LIU Huiyun，WEI Fengyuan.Research on Techniques and Methods of 3DLaser Scanning Monitoring Coal Mining Subsidence［J］.室蘭工業大學紀要，Vol.59，pp.115-118，2010.

［15］周大偉，吳侃，周鳴，等.地面三維激光掃描與RTK相結合建立開采沉陷觀測站［J］.測繪科學，2011，36（3）：79-81.

［16］張舒，吳侃，王響雷.三維激光掃描技術在沉陷監測中應用問題探討［J］.煤炭科學技術，2008，36（11）：92-95.