三維激光掃描技術在地下人防工程中的應用實踐

馬雪萍，陳立民

(鎮江市勘察測繪研究院，江蘇 鎮江 212004)

1 引 言

三維激光掃描技術通過高速激光掃描測量的方法，以點云的形式獲取物體或地形表面的三維空間尺寸信息和反射率信息[1]，并可以逼真地保留被掃描對象的紋理。與傳統的數據采集方法相比，三維激光掃描技術具有高效率、高精度、非接觸主動測量等獨特優勢，有效避免了傳統作業方式外業勞動強度大、時間長、重復測量、工作效率低等弊端[2]，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。

某地下人防工程建成于“文革”后期，鑒于當時的歷史條件，對于深層地下人防工程通道的位置未能予以正確標定。為滿足工程后續規劃再利用要求，發揮人防工程作用，需要對其內部進行測量，獲取該人防工程的精確三維信息。但是，該人防工程通道上下立體兩層，結構錯綜復雜，內部四通八達，沒有通信訊號，沒有人工和天然光源，而且年代久遠缺乏維護，用常規的測繪儀器無法進行現場測繪或者效率低下，測繪精度也無法保障。

經過前期的充分調研和技術分析探討，項目組擬用美國法如三維激光掃描儀FARO Focus3DX330對該地下人防工程進行三維激光掃描測繪。并以此為基礎，開展三維激光掃描技術在地下人防工程中的應用研究，力爭探索并形成一套切實可行的外業三維掃描測繪、內業三維點云數據處理、橫截面和平面圖繪制、漫游視頻制作等多個三維點云數據應用的技術流程。

2 三維激光掃描技術在地下人防工程中的測繪流程

第一步：現場踏勘及測量項目規劃，制定實施方案。

第二步：外業三維數據掃描實施，包括控制點布設、標靶紙控制點測量、掃描站布設、點云數據采集等。

第三步：點云數據內業處理，利用法如掃描儀自帶的處理軟件FARO SCENE，對掃描的點云數據進行數據檢查、預處理、數據拼接、整體運算等操作。

第四步：三維點云數據利用，包括可量測實景生成、橫截面和平面圖繪制、三維模型建立與交互處理等。

第五步：質量評定。

3 外業三維數據掃描采集

在人防工程通道內以及通道出口附近施測基礎控制點，在通道內墻上的指定位置貼上掃描用標靶紙，作為點云數據糾正的控制點。由于人防工程內隧道四通八達，所以提前設計好掃描工作路線，防止發生遺漏，或者重復掃描的情況。利用FARO Focus3DX 330三維激光掃描儀，按照設計路線對隧道內逐站掃描。外業掃描完成后，通過SCENE軟件把點云數據拼接處理好，坐標系轉換校正到地方坐標系當中。

3.1 控制測量

首先在主通道洞口兩端各布設2個E級GPS點，使用Topcon Hiper SR型GPS-RTK接收機實施觀測，利用JSCORS中心提供的靜態后處理數據計算出4個GPS控制點的坐標數據。然后在主通道內布設一條附和導線，共施測二級導線點8個，利用Topcon全站儀觀測。所有控制點的高程成果均按照四等水準的測量要求施測。

3.2 標靶紙布測

為給后期點云數據坐標轉換提供控制點，需在人防工程通道內墻上控制點處張貼標靶紙，每個地面控制點附近周圍墻上均勻布設3～4張標靶紙。標靶紙的布設要保證以下幾個原則，不能和測站點分布在同一直線上，同時它必須和測站通視、距離測站不宜太遠，且保證相鄰站點間有3個及以上的公共標靶點[3]。

由于通道內墻壁年久失修，墻上石灰脫落，所以張貼標靶紙的時候，先找到相對平滑的墻面，用鏟子鏟掉一層石灰層，標靶紙后面和墻上都均勻涂好膠水，使得標靶紙牢固不會脫落。另外，由于掃描工作量很大，達到幾百站，標靶紙張貼好了之后，按照順序編號，同時在圖紙上標繪出編號的相對位置，這樣規范作業，避免了后期點位混淆的問題。實測過程中，利用通道內已經布設完成8個二級導線點，使用全站儀分站測量墻上控制點坐標并記錄編號，為了保證標靶紙控制點的精度，全站儀實測過程中的支導線測量站數嚴格控制在3站以內(包含3站)。該階段測量分為6個區塊完成，相鄰區塊間進行30%的重復測量作為檢校，最終共布測標靶紙控制點65個。

3.3 掃描站布設

兩個掃描站之間利用3個以上標靶球進行拼接，因此標靶球的位置非常重要，而且在下一站掃描完成之前，不能改變標靶球的位置，否則掃描銜接會出錯，導致前面若干站掃描工作作廢。首先，規劃好掃描線路，按照既定路線進行掃描，合理安排好工作時間和工作間歇的位置。在工作間歇的時候，做好標靶球的位置標記。這里采用的辦法是在放置標靶球的位置地上貼上圓形標記紙，這樣長時間暫停工作，即便標靶球位置被人為不小心觸碰移位，也可以找到原來的位置。

地下人防工程通道內基本沒有什么障礙物，根據掃描儀的參數，掃描站的布設根據實際情況 10 m～20 m左右架設一個站點，依次向前推進。遇到路口或者轉折區域等特殊情況適當調整布設的間距，完成掃描工作。本項目總計布設掃描站668站。

3.4 點云數據采集

點云數據采集時將儀器放置在觀測環境中 30 min以上，掃描作業時，按照標準設置點間距或采集分辨率，按照設計方案的要求布設掃描站點，使相鄰掃描站間有效點云的重疊度不低于30%，困難區域不低于15%。根據項目名稱、掃描日期、掃描站號等信息命名掃描站點，存儲掃描數據，并在大比例地形圖、平面圖或者草圖上標注掃描站位置；掃描過程中出現斷電、死機、儀器位置變動等異常情況時，初始化掃描儀，重新掃描。掃描結束后，將掃描數據導入電腦，檢查點云數據覆蓋范圍完整性、標靶數據完整性和可用性。對缺失和異常數據，及時安排補掃。經過8天的掃描工作(含補充掃描)，共計獲取點云數據 151 GB。圖1為外業數據采集場景，圖中墻面上的白底黑色方塊標記處為標靶紙控制點，地面球體為標靶球。

圖1 外業數據采集場景

4 點云數據內業處理

主要包括點云數據配準、坐標系轉換、降噪與抽稀等。

4.1 點云數據配準

點云數據配準可以基于控制點、標靶、特征地物點進行。本項目選用后兩種方法，首先使用標靶球進行配準，采用三點定位的原理將點云數據整合。每兩站之間，至少有3個公共標靶球，實際操作時點選標靶球的中心位置，軟件系統自動識別，配準拼接過程快捷。在首步標靶拼接配準完成后，針對通視條件良好的掃描數據利用相鄰兩站掃描站上獲取的重合點云數據中的特征地物點檢校和提高配準精度。

本項目共有668站點云數據，利用點云處理軟件SCENE進行配準。配準時，為了加快處理速度，減小整體誤差，共分為5個群集，群集之間有公共區域，通過標記標靶球拼接。

4.2 坐標系轉換

由于每個測站獲取的點云數據是相對獨立的[4]，且是自由坐標系，需要利用控制點進行糾正和坐標轉換，得到地方坐標系的數據。在本次施測的65個控制點中，點云拼接轉換使用了45個控制點，另外20個作為檢查點。為了操作方便，控制點導入前，進行了偏移操作，偏移到靠近原點的位置。檢查點的中誤差為△X：0.021，△Y：0.025，△Z：0.008，精度滿足測量要求。

4.3 降噪與抽稀

降噪是指將測量時人員走動綠化樹木等形成的無效點云數據刪除[5]。當點云數據中存在脫離目標物的異常點、孤立點時，采用濾波或者人機交互進行降噪處理；點云數據抽稀時不應影響目標特征識別與提取，且抽稀后點間距應滿足精度要求。

5 三維點云數據應用

5.1 繪制橫截面圖和二維平面圖

橫截面和平面圖繪制流程包括數據投影、矢量數據采集、圖形編輯和圖形整飾。點云數據具有三維坐標，利用該數據可以得到人防通道的平面圖數據和橫截面數據，采集人防通道頂底高程等。具體做法是：使用法如SCENE軟件輸出.RCP格式的數據，將數據加載到AutoCAD 2014軟件上(如圖2所示)，并調整點云視圖，直接在點云上繪制特征線，生成平面圖(如圖3所示)。在AutoCAD 2014中進行點云切片，用實線進行連接，繪制出截面圖(如圖4所示)。

圖2 AutoCAD中加載點云數據圖

圖3 人防工程局部平面圖

圖4 截面圖

5.2 制作點云漫游視頻

(1)導入點云數據

將Recap轉換完的點云數據導入視頻制作軟件，由于點云整體數據量太大，將點云分成6塊，依次進行視頻的制作。

(2)添加視點

在視頻制作軟件中，按照隧道的走向，調整點云視角，逐個添加視點。

(3)生成動畫

視點添加完成后，點擊生成動畫的命令，即可將以上添加的視點串聯到一起，生成需要的點云漫游視頻，如圖5所示。

圖5 視頻漫游

6 質量檢查與評價

在項目組自查互查的基礎上，生產部門安排了專職檢查員進行100%的過程檢查，對作業過程中發現的問題進行了及時整改和復查，詳細編寫了過程檢查記錄；院質量管控部安排技術力量實施了最終檢查，重點檢查了人防工程通道特征點的平面位置中誤差、間距中誤差、高程點精度以及掃描數據、三維點云數據的完整性，并對項目成果、成圖質量進行評價，經綜合評定，該項目成果質量為良級品。各類數學精度指標按 1∶500要求檢測情況如表1所示。

各類數學精度指標檢測情況匯總表 表1

7 經驗總結

該項目通道大部分呈長條帶狀式，而且比較窄，布設的控制點大部分分布于主干道上，數據拼接轉換坐標后，通道分支端處的數據位置誤差明顯大于主干道；而且在掃描前期由于沒有完全熟悉通道內部情況，在某個通道掃描一半遇到封閉墻只能原路返回，造成了重復掃描，浪費了時間。

通過這個項目的順利實施形成的技術流程，為今后類似工程提供了經驗：

(1)激光掃描工作開展之前先熟悉整體環境，最好能熟悉當天工作范圍，規劃好掃描路徑，避免重復掃描同時也可以提高工作效率。

(2)遇到岔路口較多地方，作為點云糾正控制點的標記點、標靶紙需要多貼幾張，當利用標靶球拼接不夠用或者因特殊情況誤差比較大時可以用標靶紙輔助拼接、進行數據檢核。

(3)全站儀導線控制點應盡量多且均勻分布在整個測區，點間距根據整體情況來布置，點數量盡量多、帶狀數據最好每個掃描站里都有控制點，非帶狀環境則均勻分布整個掃描區域中。

(4)點云整體拼接位置偏差超出預期時可分為多個群集單個拼接，再利用控制點將單個群集坐標轉換，最后可以整合所有數據減小累計誤差，提高整體精度。

8 結 語

三維激光掃描技術是目前獲取三維空間數據的最先進的技術之一，該技術作為傳統測量方法的有益補充，可以無接觸、高密度、高精度、快速地獲取地物信息。在該地下人防工程測繪過程中，項目組充分利用三維激光掃描技術優勢，簡單、快速、安全、精確地獲取了非常詳細、高質量數據圖像，大大地提高了工作效率，豐富了測繪成果內容與形式，為今后推動三維激光掃描技術在文物數字化保護、工程測量、數字城市三維可視化、城鄉規劃等領域的應用積累了寶貴的經驗。

[1] 鄧潔茹，王峰. 基于三維激光掃描技術的樹木枝干建模研究[J]. 城市勘測，2017，157(2)：109～113.

[2] 史秀保，汪帆，葛紀坤. 三維激光掃描在建筑規劃竣工測繪中的應用研究[J]. 城市勘測，2014，139(2)：83～86.

[3] 徐少輝. 地面三維激光掃描技術在地鐵隧道竣工測量中的應用[J]. 城市勘測，2016，154(5)：68～72.

[4] 南竣祥，梁爽，李海泉等. Z+F三維激光掃描儀在石峁遺址測量中的應用[J]. 測繪與空間地理信息，2017，40(2)：82～84.

[5] 張君陽，沈鑫甦，葛曉平. 三維激光掃描技術在文物保護中的應用[J]. 浙江測繪與地理信息，2016，129(4)：26～28.