大型建筑物三維激光掃描的流程及精度分析

郭向前 陳富強 郝偉濤

(1. 河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院, 鄭州 450006; 2. 河南省地質勘查信息化工程技術研究中心, 鄭州 450006)

0 引言

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期開始出現的一項新技術,是測繪領域繼GPS技術之后的又一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優勢[1]。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據,因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型。它通過非接觸式高速激光掃描測量,獲取被測對象的表面三維坐標數據,同時獲取相應的影像數據,經專業后處理軟件對點云數據處理后可以得到與實景1∶1的三維立體模型,其精度可達毫米級,并可以輸出多種格式,滿足不同應用的需要[2]。

三維激光掃描技術是通過激光測距原理(包括脈沖激光和相位激光),瞬時測得空間三維坐標值的測量儀器[3],利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據,可快速建立結構復雜、不規則的場景的三維可視化模型,既省時又省力,這種能力是現行的三維建模軟件提交所不可比擬的[4]。

1 系統構成及掃描儀分類

三維激光掃描系統通常由以下四部分組成:(1)三維激光掃描儀;(2)數碼相機;(3)后處理軟件;(4)電源以及附屬設備。

三維激光掃描儀按照掃描平臺可以分為:機載(或星載)激光掃描系統、地面型激光掃描系統、便攜式激光掃描系統。

三維激光掃描儀按照其有效掃描距離可分為:短距離激光掃描儀、中距離激光掃描儀、長距離激光掃描儀和航空激光掃描儀[5-9]。

2 實施工作流程

項目實施工作流程圖如圖1所示。

圖1 項目實施工作流程圖

2.1 資料準備

包括已有資料搜集和準備,設備的準備,安全措施準備(faro三維激光掃描儀、全站儀、腳架、球形標靶、標靶紙等)。

2.2 現場踏勘

根據已有圖紙現場踏勘,項目整體為不規則大型建筑物結構,總體長約400 m,高約為16 m寬約為9 m共分為9段,在圖紙上標明需要架設的站點,認真翔實的安排掃描計劃,根據特殊情況分區掃描,根據我們在大型建筑物里進行一站的掃描,確定掃描空間的大小,計劃掃描大約30站,每段長短不一。最長的分段距離為90 m,最短為20 m。整體掃描時間初步定為三天,由于現場已經開始2次施工情況比較復雜,廢棄物及一些施工物品擺放在現場,可能會導致掃描現場部分數據缺少,對其現場構件進行打掃清潔,以防進行2次掃描。這些都為掃描工作的安全順利進行打下堅實的基礎。

2.3 數據獲取

2.3.1標靶布設

在儀器的兩側分別放置球形標靶及棋盤板共計4個,保證了兩站之間至少三個公共拼接目標,站與球形標靶之間通視。需要注意球形標靶擺放注意圖形,球形標靶不要在同一水平面,一條直線上;三個球形標靶之間的距離必須大于1 m;如果用標靶紙激光入射角不要低于45°角;注意標靶紙與球形標靶不能移動、不能有人或物阻擋。球形標靶與掃描儀的距離為2～15 m(取決于對象尺寸和掃描分辨率,球形標靶200 mm,最大距離可達45 m),項目實施過程中球形標靶控制在10 m以下。標靶的布控在三維掃描中非常重要,特別是高精度掃描,是影響精度重要指標之一。

2.3.2掃描設置

(1)架站

根據測站的安排計劃并結合實際情況架設掃描儀,保證儀器架設穩定,四周測量環境良好,分析掃描的局限區域,以便下站及時補測。儀器水平氣泡居中,傾角傳感器可自動補償正負5度。

具體步驟:1、放置腳架;2、安置儀器;3、整平;4、取下鏡頭罩;5、開機。注意事項:1、檢查儀器整平擺放安全;2、開機前務必取下鏡頭保護罩;3、按住開機鍵1秒開機,等待儀器啟動及自檢1 min 50 s～3 min 20 s; 4、查看SD卡及電量確認儀器狀態。

(2)參數設置

點云的最大密度取決于儀器設備旋轉角步徑,并且與距離的長短有很密切的關系。在掃描軟件中對相關參數進行設定,以滿足測量要求。

具體步驟:

①新建項目

(輸入項目信息:項目 配置文件 操作員 常規設置 服務 傳感器)。

②選擇參數

選擇配置文件—分辨率、質量(根據點間距要求)—水平垂直(框選重點物體、提高掃描分辨率)—彩色掃描(選擇彩色、黑白,彩色用于建模)—眼睛安全距離—高級設置(更改過濾器設置 clear contour clear sky)

分辨率和質量的控制,調節滑塊即可設置,只需設置一次。本次數據采集均采用設置為：分辨率1/5，標靶獲取精度質量：2 mm@25 m，掃描時間20 min，掃描距離0.4～100 m，掃描點間距為7.67 mm/(1×10 m)。

2.3.3開始掃描

點擊屏幕“開始掃描”即自動掃描。

2.3.4搬站

重復2.3.3,直至把數據掃描完,整個大型建筑物掃描27站,整體掃描時間為3 d,共分為八部分。

2.4 數據處理

2.4.1點云數據配準

把數據導入faro scene,進行自動拼接,Faro Focus三維激光掃描儀隨機軟件Scene中有多場景拼接查找特征的功能,蛙跳球與棋盤板均在特征內,由軟件查找到的特征如果識別為綠色,即為可靠的特征,如果為黃色,為不穩定的特征,如果為紅色,為不可靠的特征[8]。完成標靶拼接后將全站儀測量的坐標導出到文本文件將“棋盤板”、“X”、“Y”、“Z”坐標按順序用半角逗號“,”分隔(或在Excel里按順序保存為.csv文件),拖到結構框中選擇“在群集級別導入”“導入”,會自動新建一個“References”文件夾。在“scanManager”上,選擇“更新掃描”,“References”文件夾中的數據就會更新到相對應的棋盤板上,實現多站情況下的精度控制。

2.4.2點云數據處理

我們對點云的噪點進行了去除并且分塊導出。多人協同工作,提高效率。

2.4.3建立幾何模型

模型重建的基本思想:將點云逐級分割直到目標點云清晰可見后重建模型。模型分塊后有每個人員進行分塊后整個模型的重建,模型重建工作的關鍵步驟是點云的切割化簡,例如擬合一個儲罐,需要從密密麻麻的點云當中剪切出儲罐的清晰點云,然后運用相關命令進行擬合[5]。

對大型建筑物建模后進行斷面線的切割,間隔最小可為10 cm一個橫斷面,如圖2所示。

圖2 示意圖

3 精度分析

本次大型建筑物掃描項目選擇使用法如(FARO)三維激光掃描儀Foucs3D120進行。設備參數見表1(詳見廠家提供的參數彩頁)。

根據測量的過程主要的誤差來源于三個方面:1.三維激光掃描儀的測距精度；2.標靶識別的精度；3.全站儀的測量精度。

作為儀器的測距精度為:25 m處2 mm。

標靶識別精度為:影響特征精度的條件有距離、角度、可識別面積、平衡等諸多方面。相鄰兩個或多個視場蛙跳球如果沒有發生變化,而可識別的蛙跳球又成為綠色時,多場景拼接的精度也可保證在25 m處±2 mm的誤差范圍內。標靶紙的精度可以達到1 mm以下,通過我們的球形標靶布控方法,可以做到減小球形標靶識別誤差的效果,控制在1.5 mm。

整體的精度分為兩種情況:

(1)保證單向軸線精度的變形測量；

(2)保證多次變形測量精度:我們需要固定基站和后視棱鏡并強制對中方式保證全站儀的定向精度。

坐標計算精度模型公式為:

X=x+Scosα,Y=y+Ssin α

Z=z+Stan(β)

(1)

式中，α為坐標方位角,S為兩點的平面距離,斜距;β為天頂距(視線與水平線的夾角,注意正切正負值)。

X=x+Scos αdX=cosα×dS-
Ssinα×dA/206 265

(2)

Y=y+SsinαdY=sinα×dS+
Scosα×dA/206 265

(3)

Z=z+StanβdZ=tanβ×dS+
Ssec 2β×dβ/206 265

(4)

式中α為坐標方位角，S為兩點的平面距離(斜距)，β為天頂距(視線與水平線的夾角，注意正切正負值)，x、y、z為儀器觀測三維坐標，X、Y、Z為三維坐標真值，dX、dY、dZ為三方向誤差，A為儀器測距精度。

保證單向軸線精度的變形測量過程中,外業全站儀自由設站,對標靶進行測量。其坐標的精度影響因素為全站儀的角度誤差,測距中比例誤差、照準誤差,其中短距離照準誤差可以控制在1.0 mm。

保證多次變形測量精度:我們需要固定基站和后視棱鏡并強制對中方式保證全站儀的定向精度,后視測量采用自動照準,距離全站儀小于100 m,其坐標的精度影響因素為全站儀的角度誤差,測距中比例誤差、照準誤差,其中短距離照準誤差可以控制在0.5 mm,對中誤差1.0 mm。

4 精度控制

4.1 全站儀測量球形標靶的精度控制

首先對于測量人員的要求是要精確照準來減少對中誤差和照準誤差。涉及每次測量需要后視的情況,測量標靶和后視都要距離控制在50 m左右,后視要采用強制對中或者反射片自動照準。測量標靶要考慮6～8個標靶中被測標靶圖形關系。每個空間結構體盡可能用大空間三角形控制整體[10]。

4.2 球形標靶的位置控制

每個標靶群盡量保證與掃描儀的距離等同。每個球形標靶的放置的高度相等,盡量保證在同一水平面上。在選擇擺放蛙跳球與棋盤板時,都選擇與掃描儀的位置小于10 m,且棋盤板擺放時,盡可能地使棋盤板與全站儀和掃描儀放置位置的角度大于45°,同時確定蛙跳球擺放位置,使相鄰的兩次視場采集中共用,以確定相對關系。

表1 法如三維激光掃描儀Foucs3D 120參數

4.3 掃描儀的參數設置及掃描過程控制

掃描儀對大型建筑物的掃描時要從中間分別向兩側進行掃描。

4.4 對于求大型建筑物中心軸的數據

后期通過對數據進行分析比對,點云生成的內壁厚度均在1 mm之內,多視場拼接后的結果也在2 mm左右,在eomagic采用點云計算面的算法,考慮點云厚度均勻,根據掃描儀的布控和點云的質量決定對軸心的影響大小,多站可以記為1.0 mm,單站小于0.5 mm或者忽略不計[6]。

5 結束語

三維激光掃描技術是對激光測距技等原理進行利用并以此獲得數據的一種新型技術,克服了傳統測量技術的局限性,采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據,能夠對任意物體進行掃描[7],且沒有白天和黑夜的局限,快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據,廣泛應用于變形監測、工程測量、地形測量、斷面和體積測量等領域,具有一些優勢,包括無須合作目標、精度較高、密度較高、效率較高以及全數字特征等。

三維激光掃描技術能夠真實描述掃描對象的整體結構,以及形態特性,能夠迅速準確的生成三維數據模型,防止基于點數據的分析方法導致的片面性。把三維激光掃描技術和控制策略相互結合在一起,能夠得到掃描目標的坐標。三維激光掃描技術的技術優勢,使得其在工程建設等領域具有廣泛的應用,還具有較強的環境適應性。

在西方發達國家核電站、化工廠、隧道、建筑物變形檢測等項目中,已經大量采用三維激光掃描儀對現場進行掃描,然后經過后處理后得到三維幾何模型,再對所得模型進行進一步應用[10]。而在國內,三維激光掃描主要是用在古建筑維修、文物保護等領域,在大型建筑物變形測量方面的應用尚處于初級階段,不過隨著時間的推移,相信很快會發展起來。