三維激光掃描在地下空間測繪中的應用

紀思源，談嶸，蒲樺軍

(常州市測繪院，江蘇 常州 213000)

1 引 言

隨著城市建設的快速發展，城市土地利用資源越來越少，地下空間的開發利用已成為人類生活空間的新拓展，地下空間開發利用和管理越顯重要[1]。地下空間測繪主要包括：地下構(建)筑物的測繪定位、屬性調查、地下構(建)筑物的數字化與數據入庫等工作[2]。

2 研究現狀

地下空間測量主要采用以下3種測量技術[3]：

(1)全野外實測法：控制測量、聯系測量和碎步測量等；

(2)地下空間竣工圖紙標繪法，是成本最低的方法；

(3)三維激光掃描法，通過激光掃描方法獲取地下建(構)筑物的激光點云數據。

目前地下空間測繪最常用的方法是通過第一種與第二種技術的混合作業方法，通過平面控制測量，獲取地下空間特征點，利用地下空間竣工圖紙核對細節。考慮到地下空間作業環境較暗、特征點較多情形，該方法無法實現所有要素數據采集；當地下空間發生變動時，無法及時體現在竣工圖紙上面，易出現漏繪、錯繪現象；地下空間竣工圖紙標繪法直接使用圖紙進行描繪，最終成果不是具有絕對坐標的產品，無法和周圍地形相匹配和重復利用；三維激光掃描法被稱為“實景復制技術”，能夠高速獲取被測對象表面的三維坐標，可以快速大量地采集空間點位信息[4～6]，彌補以上兩種方法的不足，且在地下空間測繪中，已有部分學者對此展開研究。

李永強[7]等采用移動測量系統，使用線陣激光掃描儀、高精度IMU和里程計，結合標靶進行糾正實現地下空間快速測量，受激光點的掃描方式、密度因素影響，采用移動式掃描系統精度低于地面靜態掃描特征點精度[8]。馬志[9]等研究了地下空間多測站點云拼接和標定技術；齊建偉[10]等認為使用三維激光掃描儀對標靶重復掃描時，內符合精度優于 1 mm；考慮到地下空間測量中無GPS信號，陳勇[8]等分別采用后視定向和首末標靶點進行坐標轉換，將各測站激光點云轉換到統一坐標系，在特征點處的精度，后視定向方法優于首末標靶點測量方法，在作業時后視定向方法需要布設導線，外業測量時需將儀器和標靶架設在已知點，降低了作業效率，增加了限制條件。

綜合考慮精度需求和作業效率等因素，本文采用地面激光掃描測量系統，僅在地下空間出入口布設控制點，測站之間采用2個公共標靶拼接的作業方法，驗證此作業方法在地下空間測量中的實用性和有效性。

3 地下空間測量方法實驗

3.1 數據獲取

三維激光掃描儀配備雙軸自動補償裝置，在外業測量時，整平后，可默認豎軸指向不變，針對掃描區域較小，站間距較短，可認為測站間豎軸指向一致和尺度縮放因子不變，儀器整平后，在測站間可使用一種基于2個公共點的簡單拼接模型，改變目前標靶拼接至少需要3個公共特征點的問題，提高外業作業效率。

考慮到地下空間設施有多個出入口，在出入口可利用網絡RTK布設控制點，在地下空間設施內部，測站間通過標靶傳遞拼接，統一基準，最后拼接到具有所需坐標系統的測站。圖1所示為地下空間內部點云數據和拼接后具有統一坐標系統的完整點云：

圖1 掃描點云

內業處理采用Cyclone(9.1.6版本)軟件進行測站拼接、濾波和去噪處理；使用cloudworx插件將Cyclone軟件中的點云導入AutoCAD 2016進行切片處理、使用常州市測繪院自主研發的Map2012智慧空間數據采集系統進行數字化加工，制作具有地理信息要素的測繪產品。

各測站拼接精度如圖2所示：

圖2 基于2個公共標靶拼接精度

本次作業共測量5站，其中js3和3-1為布設的控制點，t1、t2、t3、t4、t5、為測站間傳遞的標靶，測站內部拼接精度優于 6 mm，轉換至絕對坐標系的拼接精度為 1.7 cm。

點云拼接完成后，需對點云數據深加工，繪制具有地理信息要素的測繪產品，具體操作如下：

(1)將點云通過cloudworx導入AutoCAD中，沿xoy平面截取具有一定厚度的點云，建議截取 2 mm以內厚度點云，降低冗余數據干擾，如圖3所示：

圖3 切片后點云

(2)利用Map2012平臺對點云進行數字化深加工，繪制具有屬性信息的地下空間測繪產品，Map2012平臺地下空間模塊共分為5部分：地下空間總范圍面、地下空間分層范圍面、地下空間內部線面、地下空間點符號、地下空間注記，如圖4所示：

圖4 map2012地下空間內業處理軟件

圖(4)中(f)即為繪制的具有屬性信息的地理信息產品。

3.2 精度分析

根據《城市測量規范》可知，地下空間建(構)筑物測繪精度要求如表1所示：

地下空間建(構)筑物測繪精度要求[11] 表1

試驗精度對比分析采用全站儀和三維激光掃描儀采集相同特征點進行比對分析，如表2所示，高程比對選取20個特征點，高程最小偏差 3 mm，最大偏差 19 mm，滿足地下空間精度要求。

三維激光掃描與全站儀測量高程精度分析表 表2

經計算，高程中誤差為：δH=0.011 m，滿足表1規范要求。

平面精度比對時選用相同位置的特征點，將三維激光掃描儀采集的點云數據中提取的特征點與相同位置處全野外實測采集的數據進行比對，平面精度比對結果如表3所示：

點位精度比對分析表 表3

續表3

注：以上數據經過加密處理

經計算，點位誤差：δX=0.029 m，δY=0.034m，δ=0.045 m，滿足表1規范要求。

4 工作效率情況

試驗選擇的地下空間面積約15 000 m2，分別采用全野外實測法和三維激光掃描法進行作業效率比對，比對結果如表4所示：

作業效率比對(單位/天) 表4

通過全野外實測方法作業時共需要3.75天，三維激光掃描法需要2.25天，作業效率比全野外實測法節省了1.5天，提高了外業生產效率，節約了生產成本。

5 結 語

三維激光掃描儀通過標靶把各測站拼接在統一坐標系，通過在首末控制點進行坐標轉換的方法能夠滿足地下空間設施測量的精度要求，在沒有進行平面控制測量的前提下，驗證了該作業方法的有效性。