靜站式與移動式三維激光掃描的精度對比分析

陳富強

（1.河南省地質局礦產資源勘查中心，河南 鄭州 450006）

三維激光掃描又稱實景復制技術，是測繪領域繼GPS之后又一次技術革命[1]。與傳統測量方法相比，三維激光掃描具有操作簡便、自動化程度高、工作效率高、精度高、非接觸式等一系列優點[2]。目前，三維激光掃描技術已廣泛應用于地下工程變形監測、鐵路勘探、數字化城市建設、考古研究等領域[3-6]。

傳統的隧道變形監測方法主要包括測距儀法和全站儀法兩種，但這兩種方法都具有比較明顯的缺陷：①監測點數量受到限制，不能全面反映隧道整體的變形情況；②監測周期相對較長，外業工作量大，獲取的監測數據相對滯后；③傳統方法對作業環境要求較高[7-8]。三維激光掃描技術作為全新的測繪學科技術，已在變形監測領域取得了豐碩的研究成果[9]；但從國內外學者的研究現狀來看，目前關于三維激光掃描技術在地鐵隧道變形監測領域的研究成果主要集中在利用地面靜站式三維激光掃描技術[10]，由于地鐵隧道具有超長線狀結構，該方法需要設站、換站，工作量較大，且無法很大程度地提高外業效率，數據獲取相對滯后。基于軌道小車的移動式三維激光掃描技術彌補了靜站式的不足，這將是地鐵隧道變形監測技術的一大革新[11-12]，但問題在于這種新技術目前國內鮮有研究。本文利用靜站式與移動式三維激光掃描分別對控制點坐標進行提取，并對其應用成果進行精度評定，旨在為今后三維激光掃描在隧道監測中的應用提供參考依據。

1 三維激光掃描的組成與簡介

三維激光掃描系統主要由掃描模塊、控制模塊和計算機模塊3個部分組成，其中掃描模塊主要包括激光測距和激光掃描；控制模塊通過計算機總線控制掃描模塊和測距模塊來保證掃描工作的正常進行；計算機模塊通過系統指令的方式來控制儀器工作，并存儲測量數據[3]。

三維激光掃描儀工作時通過馬達的快速旋轉來轉動掃描儀頭部，從而開始掃描作業，同時掃描儀內部激光發射器發射激光，經待掃描物體反射后激光回到掃描模塊，被掃描模塊中的接收器接收，根據掃描的角度和反射時間推導出掃描儀與待掃描物體的距離，再結合掃描儀自身三維坐標信息計算得到掃描點的坐標信息。外業數據采集過程中，每臺三維激光掃描儀都采用獨立坐標系，掃描儀的中心點為坐標系原點，X軸與Y軸相互垂直，位于水平掃描視場，Z軸垂直于X、Y軸構成的平面，位于豎向視場，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描原理圖

根據圖1中的幾何關系，可得到目標物體的三維坐標計算公式，即

式中，S為掃描儀到物體的距離；α、β分別為水平向掃描角度和豎向掃描角度。

1.1 靜站式三維激光掃描

靜站式三維激光掃描由激光掃描儀和數碼相機組成，其作業架站方式與全站儀作業類似。靜站式三維激光掃描可對特定目標區域數據進行快速采集，再通過處理采集數據建立目標區域的三維模型。靜站式三維激光掃描儀具有使用方便、快捷、價格便宜、精度高等優點，在外業作業過程中，通過不同測站對不同目標區域進行數據采集，再通過公共區域的掃描對不同測站采集的數據進行融合，從而建立目標區域的三維坐標信息。外業作業流程如圖2所示。

圖2 靜站式三維激光掃描

1.2 移動式三維激光掃描

與靜站式三維激光掃描相比，移動式三維激光掃描的系統更加復雜，主要由三維激光掃描技術、數字攝影測量技術、導航與定位技術組合而成。目前，移動式三維激光掃描主要依托于車載、船載和機載等移動工具進行外業掃描作業，可適應不同作業環境、快速高效獲取目標信息，具有效率高、速度快但價格昂貴的特點。

2 三維激光掃描作業流程

三維激光掃描作業流程主要包括外業掃描作業和內業數據處理兩部分，外業掃描作業主要是數據采集工作，內業數據處理主要包括坐標轉換處理、點云數據拼接、點云數據融合、點云數據降噪以及結果的可視化輸出等步驟。數據處理流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程圖

在外業數據采集的過程中，三維激光掃描儀掃描的點云僅是點與點之間的相對位置關系，因此在內業數據處理過程中需先進行坐標轉換，將相對位置關系轉換為絕對位置關系。點云數據拼接是把外業采集的數據拼接成一個整體的過程。外業數據采集過程中，各測站往往會使用獨立坐標系，因此采集的位置關系都是相對坐標。點云優化是指對外業重復采集的數據進行篩選、剔除，再進行數據融合和降噪處理。

靜站式三維激光掃描內業數據處理需對坐標進行轉換與數據拼接，通常通過掃描公共區域進行點云坐標轉換，采用七參數模型，即

式中，[ΔXΔYΔZ]T為平移參數；[ξXξYξZ]T為旋轉參數；m為尺度參數。

移動式三維激光掃描內業處理時，首先對外業數據進行預處理，再設置掃描角度、反射率等參數以及斷面參數信息，最后對同一斷面內的數據進行聯合平差處理，使三維坐標信息可靠。

3 案例分析

本文以全站儀測量平面控制點坐標為參考值基準，對靜站式和移動式三維激光掃描儀測得的控制點坐標進行精度評估。靜站式與移動式三維激光掃描精度的對比分析結果如表1和圖4所示，可以看出，靜站式三維激光掃描控制點的坐標精度整體上優于移動式三維激光掃描的精度；X方向上靜站式與移動式三維激光掃描的最大偏差分別為5.9 mm和9.9 mm；Y方向上靜站式與移動式三維激光掃描的最大偏差分別為5.6 mm和9.7 mm，且6號點的靜站式偏差大于移動式偏差；H方向上靜站式與移動式三維激光掃描的最大偏差分別為5.6 mm和10.0 mm；靜站式三維激光掃描儀測得的控制點坐標偏差平均值分別為4.32 mm、4.84 mm和4.49 mm，均達到毫米級的精度；移動式三維激光掃描儀測得的控制點坐標偏差平均值分別為7.59 mm、7.37 mm和8.00 mm，但最大偏差值超過了10 mm，因此移動式三維激光掃描只有厘米級精度。

表1 靜站式與移動式三維激光掃描精度對比分析

圖4 不同掃描方法控制點與參考值的偏差

4 結語

本文以全站儀測量平面控制點坐標為參考值基準，對靜站式三維激光掃描和移動式三維激光掃描進行精度評估。實驗結果表明，靜站式三維激光掃描精度優于移動式三維掃描，靜站式三維激光掃描達到毫米級精度，而移動式三維激光掃描只有厘米級精度。本文實驗結果可為今后使用三維激光掃描對地下工程進行變形監測和病害監測提供參考依據。