地面三維激光掃描數據拼接方法評估

程宇航,林宇龍,白征東,辛浩浩

(1.清華大學 土木工程系，北京 100084；2.國網冀北電力有限公司，北京 100053)

地面三維激光掃描技術作為一種主動式獲取物體表面三維密集點云的測量技術，具有測量速度快、精度高、全數字特征等特點，廣泛應用于城市建筑物三維建模、古建筑保護、電力巡檢、變形監測、礦山測量等領域，被譽為測繪領域內繼GPS之后又一次技術革命[1-3]。

在利用地面三維激光掃描儀對測量對象進行掃描的過程中，由于激光沿直線傳播且測量環境中遮擋物的存在，實際測量時需要對測量對象進行多測站多視角掃描，獲取測量對象的分站點云數據。然后將各個測站的點云數據進行拼接，得到測量對象的整體點云數據，為后續的點云數據處理提供數據基礎[4-6]，點云拼接示意如圖1所示。

圖1 點云數據拼接示意圖

點云數據拼接的實質是把不同視點的點云數據統一到同1個坐標系下，使之成為1個整體[7-9]。當前，外業測量中點云數據拼接方法主要有標靶拼接、特征點拼接、點云視圖拼接、已知后視點及后方交會等五種[10-11]。在實際工程應用中，考慮到不同的測量環境，選取一個合適的拼接方法可以提高外業測量及內業數據處理的精度與效率[12-15]。目前，對于上述點云拼接方法的拼接精度與拼接效率的研究較少，點云拼接方法的選取無據可依。鑒于此，首先介紹對標靶拼接、特征點拼接、點云視圖拼接、已知后視點及后方交會等5種點云拼接方法，并通過實驗對這5種拼接方法的拼接精度對比。同時，綜合考慮5種拼接方法的精度與效率，為不同實際工程情況下選取合適的拼接方法提供參考。

1 地面激光掃描點云數據拼接方法

根據點云數據掃描與拼接在時間上的先后關系，可以分為實時拼接與事后拼接。

1.1 實時拼接

實時拼接是指點云數據拼接與掃描同時進行，掃描時獲取到的點云坐標即為統一坐標系下的坐標。常用的拼接方法有已知后視點的拼接和后方交會的拼接兩種，示意圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 已知后視點拼接

圖3 后方交會拼接

1)已知后視點拼接。已知后視點拼接是指在掃描儀設站時分別對掃描儀及其后視點在統一坐標系下的坐標進行設置，掃描前對后視點進行掃描獲取。憑借掃描儀和后視點的坐標以及兩者之間的定向，確定測量對象在統一坐標系中的位置，即可獲得測量對象表面點云在統一坐標系下的坐標。

2)后方交會拼接。后方交會拼接是指在掃描儀設站時對掃描儀的兩個后視點在統一坐標系下的坐標進行設置，掃描前對兩個后視點進行掃描獲取。觀測兩個已知后視點的水平夾角，可以計算得到掃描儀坐標并確定測量對象在統一坐標系中的位置，即可獲得測量對象表面點云在統一坐標系下的坐標。

1.2 事后拼接

事后拼接是指在點云數據獲取完成之后，在內業數據處理過程中進行點云拼接。當采用事后拼接方法時，實際測量中需要進行多站掃描，掃描時激光掃描系統一般使用的是掃描儀自定義的坐標系。這種情況下，點云數據拼接的實質就是各站坐標系之間的平移和旋轉，使不同坐標系下的點云數據統一到同一坐標系下。

(1)

(2)

1)標靶拼接。標靶拼接是利用掃描儀可以精確識別的特制標靶作為公共點進行點云數據拼接，標靶根據其形狀又可分為球形標靶和平面標靶，標靶中心坐標可被掃描儀自動獲取，獲取精度達2 mm@50 m。實際測量時，將這些標靶放置在掃描范圍的公共區域適當位置，保證相鄰測站都能掃描到3個以上的公共標靶，便可實現點云數據拼接。

2)特征點拼接。特征點拼接的原理與標靶拼接相類似，只是在公共點選取上，需要人工選取兩個測站公共區域內的特征點作為公共點來解算坐標轉換參數。實際測量中，一般會選擇一些易于識別且幾何特征明顯的點，如角點、邊界點、標志物等。

3)點云視圖拼接。采用點云視圖拼接方法時，既不需要布置標靶，也不需要設定測站坐標。通過人工操作將兩測站的公共區域重疊在一起，再根據迭代最鄰近點算法(Iterative Closest Point，ICP)計算出相鄰測站坐標系之間的坐標轉換參數完成點云拼接。點云視圖拼接的操作一般在點云數據處理軟件中進行。

2 實驗方案

2.1 實驗儀器

本文采用的是Leica ScanStation P50三維激光掃描儀，掃描距離可達1 000 m，能夠在360°×290°的掃描視場內以1 000 000點/s的速度進行數據采集，測距精度可達1.2 mm+10 ppm。

2.2 實驗設計

為了對標靶拼接、特征點拼接、點云視圖拼接、已知后視點及后方交會等五種拼接方法的拼接精度進行對比，本文設計一個專門實驗。采用Leica ScanStation P50分兩站對實驗場地進行掃描，每站掃描區域中布設4個自制黑白平面標靶作為標志點，在兩站公共區域布設3個Leica平面標靶，實驗場地示意圖如圖4所示。同時，采用Leica TS60全站儀精確測量8個自制黑白平面標靶的中心坐標。

圖4 實驗場地示意圖

分別利用上述5種拼接方法對采集到的兩站點云數據進行拼接，拼接后得到的5組點云數據如圖5所示。為了衡量5種點云拼接方法的拼接精度，在拼接得到的點云數據中手動拾取8個自制黑白標靶的中心坐標，分別計算4對標靶(1&7、2&8、3&5、4&6)兩兩之間的距離，計算其與利用LeicaTS60全站儀的測量結果的差值作為衡量點云拼接精度的指標。

圖5 5種拼接方法點云數據

3 實驗結果與分析

5種點云拼接方法及全站儀獲取到的8個自制黑白標靶的中心坐標見表1，各點坐標均為各自坐標系下的坐標。

表1 5種拼接方法與全站儀獲取的標靶坐標 m

續表1 m

根據表1中的自制黑白標靶的中心坐標計算相應標靶兩兩之間的距離，5種拼接方法計算距離與根據全站儀測量結果計算的距離進行比較，將差值作為衡量拼接精度的指標，其結果見表2。

表2 5種拼接方法與全站儀計算結果差值 mm

如圖6所示，從實驗結果可以看出，在50 m的測量距離內，標靶拼接的精度最高，特征點拼接方法的精度最差，五種拼接方法的拼接精度均達到了毫米級。然而，特征點拼接的最大拼接偏差達到了厘米級，這是因為激光掃描儀在掃描時會按一定的間隔來獲取點云，導致肉眼選取的特征點實際上可能并不是一對同名點，存在一定的偏差，所以拼接精度較低。點云視圖拼接、已知后視點和后方交會三種拼接方法的拼接精度較為接近，但較標靶拼接在拼接精度上還存在一定差距。

圖6 精度對比實驗結果

在實際工程應用中，需要同時考慮拼接方法的精度、效率與適用條件來決定點云數據的拼接方法，根據實驗結果對五種拼接方法的特點總結如表3所示。

表3 5種拼接方法對比

對于一些測量范圍較小、精度要求較高的應用場景，如古建筑的掃描、電塔變形監測等，標靶拼接更為合適；對于一些測量范圍很大、精度要求不高的應用場景，如地形掃描、輸電線路掃描等，已知后視點或后方交會的拼接方法更為合適；當測量范圍內無已知控制點或標靶的布設與拾取上存在一定困難時，點云視圖拼接更為合適，既不需要布置標靶，也不需要設定測站坐標；而特征點拼接無論在精度上還是在效率上，都不具備優勢，實際工程中一般不考慮此種方法。

4 結束語

本文介紹了地面激光掃描的標靶拼接、特征點拼接、點云視圖拼接、已知后視點及后方交會等5種點云數據拼接技術的工作原理，并結合實驗對各種拼接方法的拼接精度進行了對比實測。結果表明，在50 m測量距離內，5種點云數據拼接方法的精度分別為1.33 mm、8.88 mm、2.71 mm、4.29 mm和6.07 mm，其中標靶拼接的精度最高。在實際工程具體情況中，作業人員應綜合考慮掃描作業區域環境條件和工程的精度與作業效率要求，選取最合適的點云數據拼接方法。