站式三維激光掃描技術在地下空間測繪中的應用

許艷博 馬金榮 李 毅 王忠勤

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

隨著城市化進程腳步的加速,可供利用的土地資源變得越來越稀缺,為了滿足人們日常生活的需要,地下空間為我們提供了新的活動場所,它的合理開發、科學管理變得越來越重要[1]。地下空間的主要測繪內容包括:地下空間的埋深、范圍線角點坐標、地上地下建筑物的相對位置關系、地下空間室內地坪高程、凈空、房屋分間等。20世紀六七十年代,北京在“備戰、備荒、為人民”的戰略方針下,開展了聲勢浩大的防空工事建設工程,全民齊上,挑燈夜戰,學校操場下面縱橫交錯也構筑了不少地下人防設施。在當時的歷史背景下,這些地下空間沒有設計施工圖紙,時至今日要對其進行合理開發利用,需要進行地下空間測量。

三維激光掃描技術具有速度快、精度高、非接觸等特點,實現了外業工作高效化,同時也獲得了更為豐富的數據信息[2]。本文采用徠卡RTC360三維激光掃描儀對北京某學校地下空間進行測量,外業數據采集一次完成,極大提高了作業效率,經過相對尺寸對比,驗證了站式三維激光掃描精度,為今后開展地下空間測繪提供參考。

1 地下空間傳統測量方法及難點

1.1 傳統測量方法

采用傳統測量方法主要任務包括:地上控制測量、聯系測量、地下控制測量、地下空間數據獲取等[3]。地上控制點可以利用網絡實時動態載波相位差分技術(Real-Time Kinematic,RTK)布設控制點,也可以根據現場情況布設導線點。因為地下空間出入口位置是固定的,為了提高地下控制點的精度,盡量在出入口附近布設控制點。高程采用水準儀聯測附近已知高程點。聯系測量的目的是為地下導線提供起算坐標、方位角以及起算高程[4],聯系測量需要有豎井,通常情況下建成區不具備鉆豎井的條件。地下導線起算地下出入口附近的控制點,滿足圖根導線精度要求,因環境限制無法附合時,可以布設不多于四條邊的支導線,最大邊長不應超過160 m,前視邊長不應超過后視邊長的兩倍。高程控制測量采用幾何水準或三角高程[5]。地下空間特征點采用全站儀極坐標法測量,對于全站儀無法直接測量的隱蔽角點,使用測距儀或鋼尺量取待測點到已測點的距離,利用空間關系計算待測點平面坐標。傳統測量方法流程如圖1所示。

圖1 傳統測量方法流程圖

1.2 采用傳統測量方法的難點

采用傳統的測量方法數據精度低,地下采集效率受光線影響大、作業員勞動強度大、現場測量成果不可視、自動化程度較低[6]。本測試項目的地下空間出入口為陡立的樓梯連接彎曲通道,地下空間窄小、建筑結構復雜密集、地面雜物堆積、沒有燈光,造成設站投點、通視困難。

為滿足地下空間示位測量要求,依據《城市測量規范》CJJ/T 8—2011的規定:地上應布設三級導線以上精度的平面控制點,地下應布設圖根導線或支導線。本項目由于地下黑暗無光、地面濕滑積水,樓梯、地下通道部分轉點近且高差大,無法布設圖根或圖根支導線,所以常規測繪手段無法進行施測。地下空間平面如圖2所示。

圖2 地下空間平面圖

2 站式三維激光掃描儀測試流程

相比移動式三維激光掃描儀,站式掃描儀工作時位置是固定的,因此，掃描精度更高[7]。 測試選用儀器為徠卡公司最新的站式掃描儀RTC360,掃描頻率為200萬點/s,一站僅需要2 min,有效測程為130 m,全景影像4.32億像素,具有視覺追蹤功能,通過儀器四周內置的5個相機和慣導系統,實時鎖定跟蹤外部環境特征點,根據相應的算法計算出測站與測站之間的相對位置關系,掃描時不需要公共標靶就可以實現相鄰測站間的點云拼接。1人就可以完成外業掃描任務,現場可以進行數據查看和檢查,避免返工。徠卡RTC360如圖3所示。

圖3 徠卡RTC360掃描儀

2.1 三維激光掃描方法

采用全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)網絡RTK在地下空間兩個出入口處共布設4個控制點,并用全站儀進行距離和角度的歸化。水準起算附近已知水準點,聯測新布設的GNSS控制點。利用控制點數據,可以將掃描的點云數據精確配準到控制點坐標系統中。

由于地上地下高差較大,為了儀器穩定和掃描的點云數據不產生傾斜,掃描時使用三腳架及帶對中器的基座架設掃描儀。徠卡RTC360掃描儀有三級分辨率可供調節,分別是距離測站10 m處掃描點間距3 mm(高密度點云),6 mm(中密度點云),12 mm(低密度點云),掃描用時分別是26、51、102 s。圖像獲取為1 min。本測試項目在地下空間出入口處采用3 mm@10 m的點云密度,這樣可以強化地上地下的聯系。地下通道狹長、地下空間雜物遮擋、沒有光,采用12 mm@10 m的點云密度,地下測站的平均間隔是5.5 m,目的是使采集到的點云數據連續、均勻,保證點位精度。地上掃描6站,地下46站,掃描用時1.5 h。掃描站點分布如圖4所示。

圖4 掃描站點分布圖

2.2 站式掃描數據內業處理

將外業采集的數據導入Cyclone智能拼接軟件中,對軟件自動拼接失敗的站點,采用同名點或目視對準的模式進行配準拼接。整體拼接完成后,逐站進行檢查,保證站與站之間的拼接精度在2 mm以內,然后檢查起始站點的掃描數據和結束站點的掃描數據重合部分是否有錯層或交叉,如果有錯層需要對拼接精度略大的站點進行調整,直至沒有錯層產生。最后手動添加閉合環路進行整體優化,點云閉合環路如圖5所示。

圖5 點云閉合環路

以出入口的4個控制點為基準進行坐標校準,將拼接完整的點云數據配準到控制點坐標系統下。最后生成配準報告,導出點云通用格式*.las、*.e57等，配準后點群質量如圖6所示。

圖6 配準后點群質量

利用Cyclone軟件加載配準后的點云數據,根據實際需要設置參考面和切片厚度。然后利用CloudWorx for CAD的插件在CAD中導入做好的切片,通過特征點快速描繪地下空間內輪廓及相關建筑的二維線畫圖[8],成果如圖7～8所示。

圖7 平面圖成果

圖8 立面圖成果

2.3 掃描數據檢核

表1 尺寸對比 單位：m

根據上述數據對比分析,采用站式三維激光掃描進行地下空間測繪,采集的數據沒有累計誤差,相對精度能夠達到1 cm,滿足規范要求。

3 站式三維激光掃描技術的優缺點分析

地面三維激光掃描技術作為一種全新的測量技術,在城市地下空間建設中扮演著越來越重要的作用[9]。

3.1 站式三維激光掃描技術的優點

(1)突破單點測量方式,真彩色的點云數據對被測物體的描述更細膩更生動,為后續建模工作提供了更多的數據支撐,傳統方法難以實現[10]。

(2)主動發射、接收激光信號來獲取測站與周邊物體的位置關系,通過密集的點云勾勒被測物體表面信息,不依賴光線。

(3)無須人工辨識特征點,目視所及的范圍(有效測程內)數據采集全面,尤其在人員無法到達的危險地段使用優勢明顯[11]。

(4)掃描數據全面而無遺漏,一次掃描數據可供多次不同用途使用。

3.2 站式三維激光掃描技術缺點

(1)缺少相關三維激光掃描技術規范。

(2)三維激光掃描的點云數據量大,動輒占用幾十個G的存儲空間,數據處理技術難度高,對硬件配置要求較高。

(3)常規手段無法施測的項目,三維激光掃描技術缺少對其精度檢測的手段。

4 結束語

在建設用地越來越稀缺的同時,城市地下空間也變得越來越寶貴,其合理開發利用可以為人們帶來更多生活便利。而開發利用的前提是對其進行全方位的測繪,傳統的地下空間測量方法是內業數字化和實測相結合的方式,根據建筑設計圖、竣工圖等進行掃描數字化,對地下空間實際情況進行實地核實測量,對變動較大的重新測繪。但傳統的全站儀極坐標法對現場通視條件要求較高,勞動強度大且效率低下,站式三維激光掃描技術可以快速獲取高精度的點云信息,對站點之間通視條件及采光沒有要求。本文探討了站式三維激光掃描儀在北京某學校地下空間測量中的流程和方法,并隨機量取尺寸進行對比,通過測試可以得出站式三維激光掃描數據準確可靠、快速高效,可以為城市地下空間合理開發利用提供有效的數據支撐。