基于三維激光掃描技術的空間坐標傳遞測量及工程應用

胡玉祥，李勇，張洪德，尹相寶1，，孟慶年

(1.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司，山東 青島 266000； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

三維激光掃描技術近幾年發展異常迅速，它突破了傳統的單點測量方式，能在單位時間內發射幾十萬甚至幾百萬的點，以點云的形式表達三維空間的幾何形態，同時還可以采集高分辨相片，形成物體的三維正射影像，再現物體的真實三維形態[1，2]，其測量成果不僅包含空間坐標信息，還包含反射率等物理信息，通過不同測站三維點云的拼接、匹配，可實現空間三維坐標的傳遞，對空間坐標的有效傳遞提供了一種新的思路。

傳統三維空間傳遞的方法是使用導線測量或者聯系測量的方式進行。導線測量是通過斜井布設導線一站一站地將平面坐標引測到地下，高程則采用幾何水準測量方式引測。聯系測量通常分為兩井定向和一井定向，兩井定向精度較高，對井口直徑沒有特殊要求，但實際工作中往往不具備做兩井定向的條件；一井定向通過懸掛鋼絲組成聯系三角形將平面坐標和方位引測到地下，但其對井口直徑以及現場作業條件要求較高。對于現場不具備一井定向條件，且精度要求不是很高的項目，采用聯系測量方式甚至無能為力。青島連云港路地鐵勘探現場鄰近某地下電力管廊，為防止勘探過程中對電力管廊可能造成的破壞，需要測定地下電力管廊的平面位置和埋深，即管廊的三維空間位置；其中重要的工作便是將地面三維坐標引測到地下。受電力井作業半徑和深度限制，采用傳統聯系測量三維坐標引測方式不可行。針對此問題，本文借助三維激光掃描儀，在井口布設專用掃描標靶，井下掃描井口標靶，巧妙地將地面三維坐標引測到地下；通過點云數據提取電力管廊的平面圖和剖面圖，有效獲取管廊平面位置和埋深，為類似工程提供了良好的借鑒。

2 外業掃描及數據處理

2.1 工程難點及策略

青島地鐵地質勘探臨近一電力管廊，由于歷史原因，該管廊沒有歷史資料可用。為了防止勘探對該電力管廊可能造成的破壞，需要準確測定該管廊的三維空間位置，以便制定合理、有效的鉆探方案。

確定該地下電力管廊準確三維空間位置，首要工作是需要將地面三維坐標引測到地下，然后人進入到地下管廊內部進行現場施測，經內業數據處理得到其三維空間位置關系。電力管廊不同于地鐵或者其他地下工程，距地面較深且有可供行人出入的專門通道；通往該地下管廊只能通過口徑約為 1 m、井深約為 5 m的電力井，這給三維空間坐標的傳遞帶來了極大的困難，這也成為本工程的難點所在。采用全站儀直接觀測法根本不可能，采用聯系測量方式平面坐標引測不具備條件，高程雖然可以通過懸掛鋼尺的方式引測，但此方法費時、費力，加之地下電力管廊空間狹窄，對水準讀數帶來極大不便。井口引測示意圖如圖1所示。

圖1 井口引測示意圖

考慮到三維激光掃描儀外業采集過程不需要特殊觀測條件，只要能夠通視，掃描儀便可以通過高速旋轉，采集可視范圍內的三維空間坐標和紋理信息；掃描儀測程可以達到一百甚至幾百米，在井下架設掃描儀，完全可以掃到井口，通過在井口布設3個專用標靶(標靶結構如圖2所示)；地面通過全站儀準確獲取3個標靶中心點三維坐標，地下則通過掃描儀將井口標靶中心掃入點云中，通過測站之間的點云拼接，將井口和井下空間形成一個統一的整體，從而巧妙地將地上三維空間坐標引測到地下。作業方式如圖1所示。

圖2 掃描儀專用黑白標靶示意圖

2.2 外業掃描

(1)分辨率選擇

外業作業過程要兼顧效率和精度要求，為提高效率可以選擇低密度進行掃描，但低密度掃描容易造成點云過于稀疏，細部紋理不能很好地表達；過高的密度雖然可以更好地表達細部紋理，但比較費時且更后續數據處理帶來不便。本工程項目主要關注地下電力管廊的三維空間位置信息，對于紋理信息要求不高，結合表1性能參數，兼顧精度要求，本項目可以采用中密度掃描模式；為了后續點云匹配的方便，在掃描過程中采用拍照模式。

三維激光掃描儀性能參數 表1

為了將地面三維空間坐標準確引測到地下，需要準確獲取井口3個標靶中心點的三維坐標，地面可以采用導線測量或者后方交會方式準確獲取標靶中心點坐標。井下第一站掃描過程中需要將井口3個標靶轉向下方(如圖3所示)，從而將標靶掃入點云中方便坐標傳遞。

圖3 井口標靶示意圖

2.3 數據預處理

(1)點云拼接與去噪

點云拼接是將多站掃描數據拼接到一個整體的過程，采用徠卡配套的專用拼接軟件REGISTER 360進行，一般有兩種方式：基于公共點的拼接和基于點云視圖的拼接[2，3]。由于地下電力管廊的相似度較高，采用視圖拼接難度較大，故采用基于公共標靶的拼接方式，在RTC360點云拼接中，每站拼接完均可以得到點云匹配的相關精度信息，如圖4所示；將不同測站點云通過拼接可以得到電力管廊的整體效果圖，如圖5所示。

圖4 點云拼接精度信息

圖5 點云拼接整體效果圖

點云融合就是將不同站點、不同儀器設備的點云數據合并在一起的過程，在外業掃描過程中，每站都會有很多的重合點云數據，將各站點云數據拼接在一起就造成點云數據的重疊，點云融合的目的就是根據點云歸一化算法將重疊點云進行優化的過程。

在掃描儀的原始點云中往往包含若干對于成果處理有不良影響的點，點云去噪就是根據一定的點云濾波算法，讓有效點保留，無效點刪除的過程，由于地下管廊空間狹小、濕度大，空氣中懸浮液體小顆粒，掃描過程中由于空氣散射、折射容易生成漂浮、散亂點云，通常采用八叉樹、空間單元閾值函數等[7，8]方法自動剔除空間散亂點云；通過點云自動濾波剔除無效點云后還應進行全面的檢查，對于細節部分還需要進行人工精細剔除點云。

(2)三維坐標匹配

通過上述點云拼接的過程，整個電力管廊形成了一個空間整體，但此整體是相對的，還需要進行點云的絕對定向。絕對定向的過程即是進行坐標轉換的過程，通過三個標靶中心的空間坐標來計算轉換參數，轉換過程通常利用布爾莎7參數模型，即：

(1)

2.4 電力管廊平剖面繪制

徠卡專業點云后處理軟件Cyclone具有良好的可擴展性，通過開發相應的插件可以實現點云數據與一些專業繪圖軟件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)進行互通。將經過上述處理的點云加載到插件Cloudworx中，進行坐標系的旋轉和網格建立，定義參考面，使得點云便于人眼識別提取，然后利用Cyclone進行點云的切片處理；在CAD中繪制電力管廊的平面圖和剖面圖(帶有絕對坐標)，如圖6、圖7所示。

圖6 電力管廊地下平面圖

圖7 電力管廊地下剖面圖

3 精度驗證及分析

本工程中，通往電力管廊首尾各有一個電力井，如果具備條件可以在兩個井口各擺設3個標靶，通過一站一站掃描，將首尾井口標靶連成一個整體，這樣可以以一個井口作為檢核，提高施測的精度和可靠性。然而，本工程由于尾部井底全是淤泥，在地下作業過程中無法接近井口底部，因而無法將井口標靶掃描到點云中，但此井口可以通過遠處掃描將其掃到點云中。為驗證該手段傳遞空間坐標的有效性和可靠性，將尾部井口擺設的三個標靶中心坐標準確測定，從而可以擬合出此井口中心三維坐標(方式一，可認為井口三維坐標真值)；同時在點云中提取出尾部井口點云，通過點云后處理軟件Cyclone中的空間擬合功能，擬合出尾部井口(圖8)，進而提取出擬合圓的三維中心坐標(方式二)。

圖8 點云擬合電力管井口示意圖

將方式一和方式二擬合的井口中心坐標進行對比，兩種方式的較差如表2所示。

兩種方式管井坐標對比 表2

從表2中可以看出，通過兩種方式擬合的三維坐標較差在 3 cm左右，完全滿足《城市測量規范》(CJJ/T8-2011)及項目測繪精度要求。

4 結 論

三維激光掃描技術可以在單位時間內獲取精度高、數據量大的三維空間信息，它以三維坐標為整體，能夠將空間物體真實還原，加之配賦坐標信息即可得到三維立體空間形態。針對電力管廊三維坐標傳遞困難、傳統方法難以實施的難題，本文借助三維激光掃描技術，以某一地下電力管廊三維空間位置測定項目為例，從項目難點和對策、掃描作業方法以及關鍵技術手段進行了探討，在項目實施過程中得到了一些有益結論：

(1)針對電力管廊井口小、井深淺，聯系測量傳遞坐標無法實施時，可以考慮使用三維激光掃描技術手段進行空間坐標的引測。

(2)外業掃描站與站之間通過公共特征點進行聯系，精度取決于點云拼接精度；不相鄰測站之間不存在誤差累計，提高了地下管廊整體測繪精度。

(3)通過一個井口傳遞坐標，點云絕對精度取決于井口標靶坐標配賦精度，由于井口直徑較小，坐標配賦精度較差，不利于點云絕對精度的提高。

(4)此項目雖然有首尾兩個電力井可以使用，但尾部井口地下部分不具備掃描標靶條件；如果具備條件，利用兩個井口的標靶進行坐標配賦不僅可以相互檢核，同時可以提高整體點云絕對精度。

(5)采用三維激光掃描設備進行外業測量時，如果具備條件，可以采集部分離散特征點三維坐標作為檢核，以驗證掃描的準確性和可靠性。