三維激光掃描儀在地下空間測繪中的應用

倪榮雷

浙江煤炭測繪院有限公司 浙江 杭州 310021

引言

伴隨著城市化水平的不斷提高，城市快速發展與土地資源有限的矛盾日益突出[1]。作為城市的戰略資源，城市地下空間可以用來建設地下交通、人防、地下商業等，具有較高的經濟效益和社會效益，對城市的可持續發展具有重要意義。合理、高效地開發地下空間，促進地上地下協調發展，是提高城市土地利用效率、降低城市中心密度、擴大容量、改善城市生態環境的有效途徑。

1 三維激光掃描系統概述

測繪地理信息服務是一項技術性很強的工作,既要選擇測繪基準，又要確定測繪內容，還要有具體的操作技術要求和正式規范，這些都需要技術標準的約束和支持。在作業環境、測量精度、測量速度、三維建模等方面，傳統的地下空間測量方法都不能令人滿意。三維激光掃描技術是繼GPS技術之后的又一次測繪技術革命，它集主動、高度緊湊、數字化、快速、非接觸、實時、動態等特點于一身[2]，是近幾年發展起來的一種新型測繪技術，它集三維激光掃描技術的優點，將獲取方法、服務能力和測繪數據水平推向一個新的高度。

三維激光掃描系統主要包括相位和脈沖兩部分，其中包括激光發射模塊、激光接收模塊、伺服電機控制模塊、圖像采集模塊、旋轉濾波器、定時器、微處理器、電路板及軟件等。周期性地控制激光束的發射，激光接收模塊接收目標反射信號，通過石英定時器精確穩定地計算出激光發射與接收信號的時差。最終，在微處理系統中對原始數據進行處理，獲得了儀器到采樣點之間的空間距離。掃描系統由伺服電機控制系統以預設的角速度和方向驅動，同時控制攝像機進行圖像采集，最后利用距離、角度、圖像等信息，計算出點云的三維坐標和紋理。

1.1 通過系統運行平臺分類

航空激光掃描系統：機載掃描系統適合遠距離目標點和影像數據。該系統將激光掃描儀、GPS定位、慣導系統、高分辨率數碼相機等集成在一起，是一種在飛行器平臺上運行的高精度探測技術，該系統利用激光掃描和航空攝影測量原理，快速、高效地獲取掃描區域的三維坐標和紋理信息。所收集的數據可產生精確數字高程模型（DEM）、數字地面模型（DSM）和數字正交（DOM）地圖。車載式激光掃描系統：該系統主要集成了激光掃描裝置、數碼相機、GPS定位模塊和慣性導航系統，安裝在汽車、船舶等移動平臺上。該系統主要用于點云數據采集、圖像數據采集、軌跡記錄等功能。掃描儀的各個組成部分是掃描儀工作效率的關鍵。掃描儀的精確度和視場角度的大小直接影響現場數據的可靠性和數據采集的效率。地表固定掃描系統：主要包括掃描設備、控制器、存儲和供電系統、高分辨率攝像機、內控校正系統等。掃描儀是一種水平和垂直旋轉鏡的儀器，測量每一個脈沖信號從漫反射目標區依次掃描激光脈沖信號，測量每一個脈沖信號從漫反射目標的時間或相位差，記錄水平掃描角度，垂直掃描角度和相鄰兩個脈沖信號的反射強度，并自動存儲和計算點云數據。從掃描得到的數據和來自高分辨率數碼相機的圖像可通過數據傳輸模塊傳送到計算機。利用計算機軟件處理點云和圖像，可以快速生成點、線、面的三維模型和特征信息。手持激光掃描系統：可攜帶三維空間坐標在掃描范圍內采集目標表面，手持掃描儀主要有三種工作方式：線纜掃描、點掃描、面掃描，一般用于測量物體的幾何或曲面特征信息，通過三維模型重構掃描數據，生成物理數字模型。

1.2 三維激光掃描系統原理

采用漫反射原理激光掃描系統，保證了激光傳輸的信號在幾乎相同的路徑被掃描儀的接收器捕獲。利用精確時鐘獲取時差，利用水平和縱向旋轉電機預設速度和方向來驅動反射鏡，計算目標與儀器接收器之間的距離S。該儀器記錄了編碼器中相鄰脈沖間的縱向掃描角和水平掃描角α。用極坐標法把距離和角度變換成待測點w的坐標。掃描程序使用定制的工程坐標系，其中X軸定義在橫向掃描平面上，Y軸與X軸垂直，在同一掃描平面上Z軸與橫向掃描平面垂直。

圖1 掃描點坐標計算原理

該系統由激光測距儀、伺服電機、高清CCD點陣相機、微控系統、數據傳輸與存儲模塊、后處理軟件等組成[3]。它利用激光測距和高精度時鐘采集時間，在掃描區域內保存復雜的幾何數據和圖像。利用功能強大的后處理軟件完成坐標輸出，根據用戶需要進行三維建模或提取特征信息。所以激光掃描儀需要兩個模塊來實現它的全部潛能：一個是掃描操作系統的模塊，另一個是數據后處理軟件。掃描裝置配置的數據處理軟件不僅能轉換數據格式，還能進行數據登記和數據建模。當然，也可以使用第三方軟件進行后處理。

2 地下空間測繪及其特點

2.1 地下空間測繪對象和內容

地下空間是一個廣義的概念，它具有外延和內涵。地下空間是指規劃區地表以下為滿足生產、生活需要而開發、建設和利用的空間。地下空間設施是規劃、設計、建設的具有特殊功能的設施或系統。地下空間是一種以地下空間及其設施為對象的地下空間測繪技術。對地下空間及其設施的分類有不同的規劃。在規劃方面，《地下空間規劃國家標準（征求意見稿）》根據其主導功能，對地下空間的功能進行了規范，將其應用范圍劃分為七類：地下交通設施、地下市政公共設施、地下公共管理和公共設施。按照國家標準 GB/T28590-2012 《地下空間設施分類與規范》，地下空間設施按功能、主要功能特點和設施實體類別分為3類，以上兩大類主要是地下空間功能和設施功能。測繪是人工確定、收集和表達物理地理要素的形狀、大小、空間或面的中間位置，以及其屬性，處理和提供所獲得的數據、信息和結果。地下建筑是指除地下交通設施、綜合管廊、地下管線、地下管線、地下管線、地下管線等以外的建筑及附屬設施，其中，主要是為行人、車輛、停車設施等而建造的地下設施；綜合管廊是指鋪設二級及以上工程管道而在地下修建的專用隧道及附屬設施，包括主干綜合管廊、分支綜合管廊和電纜管廊；地下管線是指地下給水、排水、燃氣、熱能、通訊、工業管線及附屬設施；地下建筑指除地下交通設施、綜合管廊、地下管線以外的其他地下空間建（構）筑物及附屬設施。它綜合考慮了測繪學專業基本特征、野外測繪生產經營模式、目標空間信息和屬性信息的內容以及測繪成果的表現形式，使其更適合于專題或綜合性。例如，地下空間的測量、制圖、數據管理和結果應用（例如，地下公共管理和公共服務設施、地下商業服務設施以及地下物流和儲存設施）具有相似的空間幾何特征和表現形式，很容易按其性質劃分設施類型和主導功能。地下空間測繪是為開發利用地下空間提供服務和保障的測繪地理信息活動，屬于工程測量范疇，一般包括控制測量、狀態測量、施工測量、調查等工作。

2.2 地下空間測繪的基本特點

地下空間測繪的特點是：①地下空間的特點。井下空間測繪中，在很多情況下，特征點只能確定為內角點，許多隱藏點難以直接測定，因此通常需要用相對測量來驅動測點的坐標高程。其測量方法受地下空間條件的限制。②地面和地下接觸。由于地下空間的規劃、建設和使用，必須考慮到相應的地面空間，即通過連接測量統一的下平面坐標系和高程基準。③主題與綜合相結合。地下空間調查可以綜合、專題、整體或局部地進行，按類型、功能、空間劃分和所有權劃分，進行專項測繪，根據需要確定專項測繪內容和成果要求。④目前對三維表達的要求越來越高，與地面地形相比，三維表達能夠更加全面、直觀地描述地下空間的位置特征及各設施之間的關系，三維表達是地下空間制圖的基本要求。

2.3 傳統地下空間測繪方法。

傳統測量模式地下空間通常采用內角測量的方法；若不能直接測量內角，則用紅外測距儀或鋼尺測量點與被測點的距離。

2.3.1 內角測量方法。常用的地下空間內角測量方法有極坐標法、紅外測距法、鋼尺法等。如圖2所示。

圖2 內角測量方法

地下隱蔽空間邊界的現場測量技術手段包括鋼尺、沖擊回波測厚儀、根據竣工圖外推外墻厚度等。

2.3.2 反外推。因為地下空間的測量只能測量可見內角，所以有很多隱藏或封閉的部分不能被測量，因此，采用外推法進行內角可見測量。①地下空間周邊邊界定位計算的目的是準確計算空間建筑面積，確定地下空間周邊邊界的定位方法。②地下空間外部邊界的位置選擇原則是由內部可見角度坐標確定的。根據下面的格式，確定工程驗收圖紙上的外墻（不包括防水和抗震墻）的厚度，而在地下空間（包括地下室）中，房屋的長度只能測量內徑，因為外墻的厚度不能測量，而外墻的厚度以竣工驗收圖上的標記為準，并據此計算地下空間的邊長，周邊邊界點的確定應遵循水平面和垂直面相同的原則，以確保地下空間測量的準確性。

3 三維激光掃描儀在地下空間測量應用

地下空間測繪目的是獲取地下空間邊界的平面坐標和高度數據。三維激光掃描儀能快速獲取被測對象表面的三維坐標，可以快速大量采集地下空間的點位信息。

3.1 三維激光掃描儀的工作流程

三維激光掃描儀用于地下空間的測繪流程，包括現場測量、控制測量、點云數據采集、點云處理、建筑物輪廓提取及三維建模。

3.2 點云采集

掃描工作前，應對地下空間進行全面調查，了解地下空間地面、地下接觸通道及其位置，以及地下空間的總體分布。地下空間項目規模，依據控制點分布情況合理安排掃描測站線，留意掃描站的布局和目標布局：掃描站應該在一個安全的地方。視點寬，地面穩定，掃描范圍要覆蓋整個掃描對象，站數要盡量少。在目標結構復雜、觀察困難、有線的情況下，應在拐角處適當增加掃描點。通過對線幀站的掃描，保證了相鄰測量站間存在一定程度的重疊。在掃描空間中要均勻分布目標，相鄰兩個掃描站的公共目標數量不得少于3個。

3.3 點云處理

點云處理包括點云定位、坐標變換、分類降噪、分割細化等，由掃描儀采集的數據導入軟件進行處理，點云數據登記，并可選取球體目標或特征點。及時將點云數據分配到不少于3個同名點，經分配后，內部匹配點間距誤差不得小于規范規定的1/2。點云分類法是根據電磁波反射不同目標反射強度的信息特征，對點云數據進行分類，便于后期二維平面的繪制和三維建模。因為受到設備精度、操作人員經驗、環境因素、電磁波衍射特性、被測物體表面特征和數據拼接匹配操作過程的影響，點云數據必然具有一定的降噪效果，需要通過過濾或人機交互來處理[4]。對海量點云數據進行直接處理不僅浪費大量的時間，而且消耗大量系統資源，保持適當的幾何模型細節，對點云數據提取后的最大點間距應滿足規范規定的間距要求，而不影響模型重建精度。

3.4 輪廓提取

描述建筑物形狀的主要參數有：建筑物的特征面、 特征點及特征線。特征線是聯系另外兩個參數的紐帶，特征點可由特征線相交得到，特征面可由特征線共面來定義。特征線一般包括建筑物的邊界線、輪廓線等。利用軟件的自動提取和人工手動提取相結合的方式將地下建筑物的輪廓線提取出來，用于繪制立面圖、平面圖等。

3.5 三維建模

利用三維激光掃描儀獲取建筑物的點云數據和圖像，在軟件中生成建筑物的三維立體模型。由于可以將點云數據的坐標通過控制點轉換到相應的建筑坐標系中，因此三維模型中的每一個點都有在規定坐標系下的真實坐標，可以直接對模型進行測量，在速度、精度、數據處理等方面具有很大的優勢。

4 結束語

三維激光掃描技術是測繪行業發展的一個重要方向，其發展潛力很大，三維激光掃描儀作為測繪領域的主導產品，具有明顯的優勢，應用十分廣泛。一般而言，三維激光掃描儀基本涵蓋了測繪的各個領域，具有面積大、自動化程度高、速度快、測量精度高等特點。三維激光掃描儀在數據采集和數據精度方面的優勢克服了傳統測量在地下空間測繪中的局限性，結合相關軟件，可快速、準確、高效地獲取地下空間的平面圖和三維模型，它的應用為地下空間測繪提供了一種有效的方法，對推進智慧城市建設具有重要意義。