三維激光掃描技術在海洋館主缸測量中的應用

金婷，羅峰

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

地面三維激光掃描測量技術是近年來發展迅速的一種新技術，已成為空間數據獲取的一種重要技術手段[1]。同傳統的測量手段相比，三維激光掃描測量技術不需要合作目標，可以自動、連續、快速的采集數據，擁有許多獨特優勢[2，3]：①數據獲取速度快，實時性強；②數據量大，精度較高；③主動性強，能全天候工作；④全數字特征，信息傳輸、加工、表達容易。

本文結合三維激光掃描的基本工作原理，采用Focus 3D X330地面三維激光掃描系統對廣州市正佳海洋世界生物館有限公司海洋館的主缸亞克力板橫向長度、縱向弧長等內容進行綜合測量。同時采用全站儀測量進行驗證，可見三維激光掃描測量結果精確可靠，為海洋館主缸亞克力板申報世界吉尼斯紀錄提供了直觀準確的數據。

2 海洋館主缸介紹

廣州市正佳極地海洋世界坐落于天河區正佳廣場西側二、三層，總建筑面積超 58 000 m2，擁有共500種超30 000只極地海洋動物，是目前為止全球首座室內空中極地海洋館。展區中有一塊長約 40 m亞克力的單體水族展示缸，業主為了精確獲取亞克力主缸的各項尺寸，進而申報世界吉尼斯紀錄，需要獲取亞克力板的精確尺寸結果。

3 研究方法

亞克力板的弧長由外露部分和入地端兩部分組成，其中入地部分采用激光測距儀測量和鋼尺丈量兩種方法進行測量，外露部分采用三維激光掃描儀進行測量[5]。

地面三維激光測量系統亞克力綜合測量工作過程分為外業數據采集和內業數據處理。在具體工作展開之前，首先根據掃描對象的不同和精度的具體要求設計一條合適的掃描路線、確定恰當的采樣密度、大致確定掃描儀至掃描物體的距離、設站數、大致的設站位置等。外業數據采集包括數據采集、現場分析采集到的數據是否大致符合要求、進行初步的質量分析和控制等。內業數據處理包括外業采集到的激光掃描原始數據的顯示，數據的規則格網化，數據濾波、分類、分割，數據的壓縮，圖像處理，模式識別等。

為了精確、可靠地獲取巨型亞克力板的關鍵尺寸，同時為在復雜的觀測環境的情況下，減少了接觸性測量，降低了作業危險。項目主要采用地面三維激光掃描儀對亞克力板綜合掃描測量，輔以全站儀測量進行驗證。

項目的技術流程如圖1所示。

圖1 測量流程圖

4 三維激光掃描測量方法

首先進行數據采集。由于掃描現場視角及目標構筑物(折射及散射激光點云等)特性，為達到數據精度及掃描密度要求[10]，在清理干凈的表面平鋪一層反射紙，選取板內側地面四個掃描站點、通道頂一個掃描站點，板外側一個掃描站點進行數據采集。由于要建立亞克力板的精密三維模型，每站采用了較高的采樣密度，采樣間隔設置為10米處 4 mm。采樣間隔大小與掃描速度和數據量有直接關系。由于分站掃描，每站數據主要由掃描目標的點云數據、拼接用的目標特征點云數據、掃描范圍的數碼相片等數據組成。根據站內公共目標標志特征點云數據，把多站數據進行工程坐標轉換，然后進行數據拼接，如圖2～圖4所示。

圖2 單站點云數據

圖3 多站點云數據

圖4 多站點云數據(去噪后)

第二步進行空間建模。由于地面三維激光掃描測量技術采集得到的數據是由全離散的矢量距離點構成的“點云(Points Cloud)”，它的每一個像素所包含的是一個距離值和一個角度值，這種圖像稱為距離圖像。距離圖像本身蘊涵豐富的特征信息，可以直接構建高精度的DEM，但又沒有任何明顯的形體信息和拓撲關系信息，不能直觀表達，必須用點、多邊形、曲線、曲面等形式將立體模型描述出來，構成模型。這里原始采集的點云數據通過三角格網進行組織和表達，事實上，由于采樣間隔非常小，所以數據量非常大，因此在實際應用過程中，可采用濾波和壓縮方法獲得簡化的數據，根據這些數據進行分析將大大提高處理速度。

第三步進行空間量測。根據采集獲得的點云數據，建立構筑物的三維模型，該模型具有完整的三維空間信息，因此，可以基于此進行嚴密的空間量測，建立全息三維資料檔案，利于日后的全景恢復和模擬。本次亞克力板橫向長度測量利用掃描的亞克力板點云數據橫向切割，形成特征點線，直接量測得出結果為 40.809 m?？v向三角剖分獲得縱向弧長為 7.658 m，利用激光測距儀和鋼尺多次測量取平均數的方法獲得亞克力板入地端長度為 0.543 m，最終縱向總弧長為 8.201 m，整體亞克力板表面積為橫向長度乘積縱向總弧長為 334.674 m2，如圖5～圖6所示。

圖5 亞克力板橫向長度測量結果圖

圖6 亞克力板縱向弧長測量結果圖

5 全站儀綜合測量驗證

利用全站儀作為輔助手段對地面三維激光掃描儀的測量結果進行驗證。采用的全站儀為日本生產的TOPCON(拓普康)OS 102。儀器精度：測角精度：2″；測距精度：(2+2ppm×D)mm。

首先建立坐標系統，獲取亞克力板的特征點坐標：選取亞克力板與地面臺階相交的最左點為坐標系統原點；以平行于亞克力板的橫向方向指向右側的軸為X軸；以垂直于亞克力板的橫向方向并豎直向上的軸為Z軸；以垂直于X軸和z軸所在平面并與x軸順時針方向成90°夾角的方向為y軸。

第二步進行外業數據采集。測量主缸亞克力板橫向長度步驟：固定全站儀垂直度盤，以亞克力板的一端盡頭為起點，另一端盡頭為終點，由跑尺員使用棱鏡放置在特征點處開始采集數據，調整全站儀的水平度盤，沿一條直線均勻間隔采集數據并進行記錄保存；測量主缸亞克力板縱向弧長步驟：沿在亞克力板事先鋪設好的反射紙由頂端向底端縱向采集附帶高程的數據并進行記錄保存。

為保證測量數據的精度，在測量過程中，對全站儀測距長度進行了改正[8](根據廣州計量檢測技術研究院對本次測量所使用儀器的檢定結果，測距加常數為K=0.9 mm，乘常數為R=-1.3 mm/km)，改正量計算公式為：

△=K+R×S

式中：△為改正量，單位：m

K為測距加常數

R為測距乘常數

S為全站儀測距長度，單位：m

第三步進行內業數據處理。采用導線計算軟件對數據進行分析計算，獲取亞克力板的關鍵點坐標，然后把坐標導入到AutoCAD制圖軟件，采用最小二乘法對亞克力板的橫向長度和縱向弧長進行了擬合。測得亞克力板的長度為 40.802 m(如圖7所示)。

圖7 AUTOCAD制圖軟件計算亞克力板長度

外業對亞克力板的4個弧段進行了測量(如圖8所示)，分別計算的結果為：7.650 m、 7.682 m、 7.698 m和 7.650 m，取平均值為 7.67 m。加上亞克力板入地端長度為 0.543 m，亞克力板的弧段總長為 8.213 m。

圖8 AUTOCAD制圖軟件計算亞克力板弧段

6 數據對比分析

本文采取地面三維激光掃描儀測量結果，全站儀測量結果進行佐證，表1為兩種測量手段測量結果及比較情況。

亞克力板測量結果評定表 表1

亞克力板弧長與橫向長度相乘，得出以上兩種方法測量出的亞克力板面積分別為 334.674 m2和 335.107 m2，相差 0.433 m2。

7 結 語

兩種方法測量結果相差在厘米級別，結果比較吻合。由于全站儀測量測量點離散，通過坐標擬合存在模型誤差，而地面三維激光掃描儀具有點云數據豐富、能真實反映被測物體、測量精度高等特點。綜上可得出結論：利用三維激光掃描技術測量海洋館主缸亞克力板，結果可靠、準確。

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