基于地面三維激光掃描技術的跨河建筑物測量分析

何子建

(城鄉院(廣州)有限公司 廣東廣州 511300)

為了能夠更好地減少船舶與內河橋梁橋墩、上部結構產生碰撞，需要加強內河橋梁橋型的調查與測量，以此來更好地明確橋梁下部結果可以正常通航，確保船舶航行的安全性。以往采用的全站儀、GPS-RTK等模式測量時，會耗費大量獲取數據的時長，而且還容易受到地形、信號遮蔽等因素的影響，容易導致測量效率逐漸降低，無法確保測量數據的準確性[1]。而三維激光掃描技術不僅測量的精度非常高，具有較強的數字化特點，而且操作非常簡單，具有顯著的靈活性，可以在非常短的時間完成對復雜地物的測量，并且在整個測量的過程中也可以實現無接觸測量，提高測量的精準性。

1 地面三維激光掃描技術的工作原理

三維激光掃描技術在工作的過程中主要是利用激光的方式對實際距離進行測量工，短時內對大量的激光束進行發射，在發射的同時還可以獲取反射信號，在整個過程中就可以直接準確測量測站與目標之間具體的距離值，根據獲取的距離值后在利用根據斜度與角度來設定三維坐標[2]。一般情況下，采用掃描儀可以對需要掃描的內容給進掃描，就可以直接獲取坐標系，將儀器的中心作為坐標的起點，在儀器掃描的平面內設定x軸、y軸、z軸，將z軸與掃描面呈垂直狀態。

2 基于地面三維激光掃描技術的跨河建筑物測量路線

2.1 測量流程

以上海市某內河的橋梁為例，此次工程所需要的成果是與橋梁墩臺及梁面相關的結構圖，包括平面圖和兩側的立面圖，此次研究選擇三維激光技術完成相關掃描作業，在整個操作的過程中，橋型測量作業流程如圖1所示。

圖1 橋型測量作業流程

2.2 采集數據

內河橋梁周邊條件具有較強的復雜性，為了確保測量的準確性，需要在測量之前對檢測設備進行調試，調試工作完成之后還需要對整個測量任務做好相應的規劃和分析，有助于在測量之前，可以確定測量過程中所需要使用的儀器和標靶及具體的安放位置。在對測站點選擇時，一定要控制好測站點與橋梁之間的角度、距離，盡可能地保持在安全范圍內，符合地面三維激光掃描技術的測量標準，標準范圍內的測量可以實現測試數據的準確性和實效性，可以充分實現數據的應用價值；除此之外，還可以有效彌補使用傳統多數量測站點采集數據的不足，可以減少工作人員的任務量，提高工作人員的工作效率，實現測量工作的高質量目標[3]。

對點云配準點的數據采集時，需要選擇兩個測站，這兩個測站一般都是需要相鄰的，這樣才可以保障所觀測到的數據更具有真實性和準確性。除此之外，需要在兩個站之間設定3 個及以上的公共點，將其作為點云配準點。采集外業數據的時候一般都是在測試區域內完成，測試的過程中通常選擇GPS-RTK 模式，這樣有助于準確測定一定坐標點的數量夠，并將坐標點設定為坐標發熱轉換點或者是校核點，其中在坐標轉換點至少需要3 個在測區周圍，擺放時一定要確保分散性，加強對整個測區的控制[4]。

此次研究測量過程中所采用的掃描設備型號為Riegl VZ1000，操作過程中對于水平和垂直方向掃描角度的分辨率要求非常高，均可以達到0.000 5°，距離需要掃描目標100 m 處，掃描儀的掃描精度可以達到5 mm[5]。分別在橋梁的兩側、橋下位置處設置掃描站，每兩個掃描站之間需要設置4 個公共點，主要作為點云配準點，即TP01-TP08，除此之外，還需要在橋梁的兩側坐標點，共需15 個，并針對每個坐標點采集相應的坐標，將其作為坐標的轉換點或者是校核點。

2.3 點云配準

對于建筑物這種比較大的目標來講，通常情況下都需要設立相應的配準站，只有將所有測試的數據拼接在一起才可以獲取系統化的點云數。點云配準作為地面式三維激光掃描點云處理的關鍵環節之一，此次是在兩組點云局部坐標轉換后，出現在同一坐標系中，點云配準后的數據可能會對后續測量數據的準確性造成一定的影響[6-7]。點云配準的具體方式主要包括兩種：一是基于特征的配準方式；二是無特征的配準方法。前者主要是指利用點云中具有明顯性的特征點作為兩組點云的同名特征點，包括人工設置的標靶、特征地物等作為，利用其完成對配準參數的設置；后者主要是指原始點云利用具體算法完成迭代計算，可以完成點云配準的方法。根據以往研究結果發現，根據特征的配準方法更具有實際應用的優勢，如標靶、特征地物混合配準方法，此次工程實際測量時便使用此方式[8]。測量的過程中，每兩個相鄰的掃描站之間都會設立公共點，主要目的就是為了參與配準計算，同一坐標系下的配準點的坐標內容具體如表1 所示。通過分析表1中的數據可以發現，配準點點位殘差值均在5 mm 以內，并且對兩次不同的配準進行計算時，發現其平均值為3 mm、4 mm，可以發現其數值滿足具體規范化的要求。

表1 點云配準后各配準點在同一坐標系下坐標對比（單位：cm）

2.4 轉換坐標系

配準之后點云依然是局部坐標系，需要將其轉換到當前需要的工程坐標系中。點云坐標在轉換的整個過程中都需要3 個以上的坐標轉換點，在對外業測量的時候，需要準確采集工程坐標[9]。坐標轉換點不僅可以用標靶代替，還可以選用具有特性的物點取代。測量內業的時候，在配準后的點云中將這些點取出，并利用點云處理技術將選取的這些點輸入工程坐標系坐標中，這就可以直接完成轉換計算。

在外業數據測量的過程中需要采集15個坐標點，采集過程中需要選擇工具為GNSS，在測量過程中需要與可接收機的網絡RTK模式進行有效結合，該次測量該過程中所選擇的儀器設備型號為TrimbleSPS985型，儀器標稱精度（PTK）平面的方向為8×10-6，防高程的方向為15×10-6[10]。測量時為了確保測量的準確性，需要采用支架完成固定，在增強測量過程中的穩定時，還可以將手動測量或者人工測量中存在的問題排除。有研究表明，這種方式更具有助于直接采用毫米級的PTK平面來準確定位其具體的精度值[10-11]。這種方式在具體使用的過程中，需要先選擇一個點位分布非常合理的點，將其作為測量過程中的核心轉換點，同時還需要選擇4 個點，將剩余的點作為整個校核對中的關鍵性坐標。坐標轉換完成后，點云中所選擇的坐標需要再次轉換，轉換成坐標，通過測量將具體數據記錄表內，具體如表2 所示。分析表中數據可以發現轉換點的點位殘差值均在4 cm以內，平均殘差一般為3.3 cm，其相關數據符合規范《地面三維激光掃描作業技術規程（CH/Z 3017—2015）》中轉換殘差上限值為12.5 cm的指標性要求[12]。

表2 坐標轉換后各轉換點坐標與實測坐標對比（單位：cm）

3 成果分析

將剩下的11 個坐標點當作該次校對過程中的一個基準點，從而完成對點云結果質量的一個綜合性分析和評價，具體內容如表3 所示。通過對表中的數據分析可以發現，點位坐標中存在明顯的偏差，最大偏差為8.3 cm，據統計平均偏差為5.3 cm，平面與高程存在的偏差是非常接近的；所選擇的校核點通過評估可以直接得到符合點云外的具體精度值，即5.9 cm。其數值可以有效滿足《城市三維建模技術規范（CJJ/T 157—2010）》中相關要求：1∶500比例尺橋梁的建模點位中允許存在的誤差上限值為15 cm。

表3 校核點點云坐標與實測坐標對比（單位：cm）

4 結語

綜上所述，結合跨河建筑物測量，采用地面三維激光掃描技術準確、高效、全天候等優勢輔助設計工作人員完成對跨河建筑物一系列項目的測量，通過對數據采集、點云配準、完成對坐標的轉化等，都可以直接獲取跨河建筑物的相關點云數據，不僅可以避免傳統掃描技術中存在的不足，如測量精度差、外業測量流程繁瑣復雜等，還可以提高工作效率，為后續相關工作的測量提供有效數據的支持。