手持式三維激光掃描儀測量防空洞精度控制方法

劉平利，喬天榮，張鴻祥，鄭玉生

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

目前，城市中的老舊防空洞已出現(xiàn)塌方、水淹等現(xiàn)象，對城市危害非常大，因此準(zhǔn)確掌握老舊防空洞在城市地下分布的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)位置，能為防空洞修復(fù)和危害治理提供可靠的數(shù)字基礎(chǔ)。相對于利用全站儀等傳統(tǒng)測量方式來說，基于手持式三維激光掃描儀獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能更加全面地呈現(xiàn)防空洞內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)；在進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理分析時，能更加快速地批量獲取防空洞的斷面數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確體積。然而，獲得有效成果的前提是獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，以及把誤差控制在有效精度范圍內(nèi)。本文探討了手持式三維激光掃描儀的設(shè)備應(yīng)用場景、誤差因素和精度控制手段，以期在精度合格的基礎(chǔ)上，找到更加快速便捷的操作掃描方案。

1 手持式三維激光掃描儀的工作原理

手持式三維激光掃描儀的工作原理為：由激光測距儀的激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被激光測距儀的接收器所接收；接收器準(zhǔn)確記錄光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間，由于光脈沖以光速傳播，因此接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到前一個被反射回的脈沖，鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉(zhuǎn)換為對距離的測量；結(jié)合激光器的高度和激光掃描角度，即可準(zhǔn)確計算出空間每一點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。慣性測量單元（IMU）主要用來記錄掃描儀的位置[1]，是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）和加速度的裝置。一般來說，一個IMU包含3個單軸的加速度計和3個單軸的陀螺，加速度計負(fù)責(zé)檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號，陀螺負(fù)責(zé)檢測載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號，進(jìn)而測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。

GeoSLAM手持式三維激光掃描儀主要由激光掃描儀、IMU和SLAM算法3個主要要素組成。其核心是GeoSLAM業(yè)界的SLAM算法，可實(shí)現(xiàn)封閉環(huán)境的快速移動測量，無需GPS；可在極短時間內(nèi)安全、高效、精確地獲取空區(qū)數(shù)據(jù)，從而獲取防空洞的三維形態(tài)，并可任意量取所需的距離和計算截面積、體積等。利用手持式三維激光掃描儀測量防空洞的步驟為：

1）掃描。利用手持式三維激光掃描儀快速對線性防空洞進(jìn)行全方位掃描，三維激光掃描可快速準(zhǔn)確地獲得防空洞內(nèi)部的三維空間掃描數(shù)據(jù)。

2）全自動系統(tǒng)處理。通過數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)自動拼接、數(shù)據(jù)分析、加入控制點(diǎn)糾正數(shù)據(jù)等步驟進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

3）數(shù)據(jù)獲取。獲得防空洞的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再進(jìn)行距離量算、剖面截取、體積量算、三維建模等操作。

手持式三維激光掃描儀的測距精度為3～5cm，掃描線性累計誤差標(biāo)稱為1‰，適用于巷道、防空洞等精度要求較低的場景，一般達(dá)到10cm即可。

2 誤差因素

除測量控制點(diǎn)、外界環(huán)境和儀器自身的影響[2]帶來的誤差之外，可根據(jù)誤差產(chǎn)生的時刻將造成防空洞掃描誤差的人為可控誤差劃分為測段誤差和拼接轉(zhuǎn)換誤差[3]。

2.1 測段誤差

測段誤差是指每個測段數(shù)據(jù)內(nèi)部的誤差，對于手持式三維激光掃描設(shè)備來說，是將每個瞬間儀器捕獲的三維畫面進(jìn)行增量式疊加套合，再利用慣導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)部糾正點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接[4]，形成一個測段的三維多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。忽略儀器本身的性能，提高單個測段數(shù)據(jù)精度的主要方法為降低單個測段的掃描時間和減少掃描距離，讓其達(dá)到一個合理區(qū)間的或然值。以GeoSLAM公司的ZEB-REVO為例，線性累計誤差的標(biāo)定值為1‰，當(dāng)使用該設(shè)備持續(xù)掃描距離為50m時，單個測段數(shù)據(jù)內(nèi)部的線性累計誤差最大可達(dá)5cm。

2.2 拼接轉(zhuǎn)換誤差

拼接轉(zhuǎn)換誤差是指在測段拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的誤差。對于防空洞線性掃描的場景，拼接誤差有一個很大的特點(diǎn)，即線性累積，第n個測段拼接后的坐標(biāo)完全由下一個測段（n+1）決定。引入控制點(diǎn)，在完成坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的同時，對拼接造成的累積誤差進(jìn)行平差，因此控制點(diǎn)的直接距離遠(yuǎn)近、精度高低將直接影響測段拼接精度。

2.3 手持式三維激光掃描儀粗差

由于手持式三維激光掃描儀利用慣導(dǎo)技術(shù)，在測段掃描時需要特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，因此不是所有的目標(biāo)都可以采用該設(shè)備進(jìn)行掃描，如洞內(nèi)壁光滑、沒有特征點(diǎn)、地面有水的區(qū)域，易造成掃描成果錯誤。防止錯誤出現(xiàn)的方法為多設(shè)置控制點(diǎn)和放置特征物，讓掃描數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確識別并進(jìn)行有效拼接，保證每個時刻數(shù)據(jù)正確的拼接，才能避免粗差[6]的出現(xiàn)。

3 實(shí)際應(yīng)用

防空洞測量首先要確定測量防空洞碎部的精度，要求精度的高低直接決定了控制點(diǎn)之間的距離和測段掃描之間的距離。本次測量防空洞要求點(diǎn)云數(shù)據(jù)距控制點(diǎn)的精度為10cm，因此以控制點(diǎn)前后各100m為一個測段，將掃描測段距離設(shè)置為100m，掃描的防空洞為2.8km。利用全站儀在防空洞內(nèi)部做導(dǎo)線，100m左右為一個控制點(diǎn)。利用三維掃描儀單次掃描獲取到100 m的防空洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)視為一個測段。為了適應(yīng)手持設(shè)備小巧靈活、邊走邊掃描的特點(diǎn)，可為其定制更加輕便的目標(biāo)球支架，把目標(biāo)球架設(shè)在全站儀做的控制點(diǎn)上，對儀器進(jìn)行對中、整平，量取目標(biāo)球的高度。

1）公共目標(biāo)球串接。在兩次SLAM掃描的公共部分放置3個以上的公共目標(biāo)球，作為兩次測段掃描的拼接重疊點(diǎn)依據(jù)。 要求目標(biāo)球不能太集中、盡量分散，不在一條直線上、不成等腰三角形，避免兩次拼接出現(xiàn)粗差，利用公共目標(biāo)球的控制點(diǎn)坐標(biāo)，對兩個測段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、糾正和檢核。糾正高程時，一定要注意目標(biāo)球的高度量取方式，否則將直接影響拼接高程的精度。每隔100m做一個控制點(diǎn)，即兩個測段組合的首尾各做一個控制點(diǎn)，在這100m內(nèi)采用Trimble RealWorks的網(wǎng)平差工具對誤差進(jìn)行平差，可達(dá)到防空洞測量時要求的10cm精度。

2）測段絕對定位。在每個掃描區(qū)段內(nèi)準(zhǔn)備3個控制點(diǎn)，每個站點(diǎn)都需完成絕對定位；或退而求其次，在兩個掃描區(qū)段內(nèi)設(shè)置3個控制點(diǎn)。為了控制每個站點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)部的精度，每段只掃描100m，因此需要每100m設(shè)置一個控制點(diǎn)。對于這種作業(yè)方式，利用Trimble RealWorks的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具，每兩個測段作一次坐標(biāo)平差，可將測量精度控制在10cm誤差以內(nèi)；再對所有的測段進(jìn)行拼接，形成最終成果。

3）精度檢核。手持式三維激光掃描儀具有簡便、快捷、對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)，但當(dāng)被描物體表面光滑、無明顯特征，尤其是老舊防空洞地面有水時，將自動錯誤拼接。處理結(jié)果與防空洞的形狀基本一致，用肉眼有時看不出拼接錯誤，因為當(dāng)數(shù)據(jù)自動拼接找不到重合點(diǎn)時，有可能利用慣性直接認(rèn)定一個目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，因此要想讓其準(zhǔn)確無誤地把目標(biāo)掃描出來，必須在防空洞內(nèi)部布設(shè)控制點(diǎn)，且盡量布設(shè)在防空洞兩端。對于距離短的防空洞，利用全站儀從地面引入控制點(diǎn)進(jìn)行檢核即可；對于距離較長的防空洞，有條件的可在防空洞的兩端通過打鉆進(jìn)行驗證，可從距離和高差上檢核掃描數(shù)據(jù)成果有沒有明顯的錯誤。

4 結(jié) 語

針對線性防空洞的三維激光掃描項目，本文介紹了手持式三維激光掃描儀的使用場景。SLAM手持式三維激光掃描設(shè)備精度可達(dá)3cm，適合于人防防空洞等精度要求較低的場景（一般要求10cm）。在控制住單站誤差的前提下，針對不同的作業(yè)模式，本文探討了減小測段拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換階段誤差的方法。本文著重分析了點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時的誤差來源，提出了加入控制點(diǎn)約束提高掃描防空洞精度的方法。