三維激光掃描技術與傳統測繪技術的精度分析

李鴻奎 李靜 孔維樞

（1.大連市自然資源事務服務中心，遼寧 大連 116011；2.解放軍32023 部隊，遼寧 大連 116023）

傳統測繪技術，比如全站儀測繪、GPS 測繪等，是對地物完成單點測量，得到測量數據點的坐標信息[1]，需要技術人員深入測區，不僅測量速度慢、勞動強度大，在地形復雜區域還存在人員安全隱患[2]。三維激光掃描技術是將實體信息迅速掃描為點云數據，使其變換為電腦可以識別處理的信息，這種信息更加豐富，便于存檔[3]。該技術通過高速激光掃描測量，在不直接接觸測量物的情況下，快速采集外業數據，獲取目標對象表面的三維坐標信息，然后交由內業數據處理。和常規作業方式不同，該技術減少了外業人員的勞動強度，縮小了野外作業的工作周期，自動化程度明顯提高[4]。憑借穿透性、高效率、不接觸性、實時性強等特點，三維激光掃描技術在軍民共建等領域得到廣泛應用。

本文利用三維激光掃描技術開展空間數據采集，對獲取到的點云數據進行拼接，將不同測站測得的點云坐標統一到同一坐標系下，然后用全站儀對相同地域進行傳統數據采集，在兩種測量方法的坐標系中找到不少于三對同名點坐標，求解七參數。利用求得的七參數將三維激光掃描儀的點云坐標轉換為全站儀的坐標系，最后對數據精度進行對比分析。

1 三維激光掃描技術工作原理

三維激光掃描儀通過發射激光束到物體表面，再經過物體表面的漫反射使一部分激光束返回三維激光掃描儀[5]，可計算出掃描儀與被測物體間的距離S。控制編碼器同步可測量出激光路徑與X 軸的角度觀測值，和與Y 軸的角度觀測值[6]。X 軸和Y 軸都在橫向掃描面且相互垂直，Z 軸則與橫向掃描面垂直，計算原理如圖1 所示。

圖1 地面三維激光掃描儀計算原理

依據圖1，可計算出被測物體的三維空間坐標，具體計算公式如下：

公式（1）是以三維激光掃描儀掃描中心為坐標原點，在實際測量工作中需將測量的點云坐標放到實際坐標系統中[7]。

2 三維激光掃描技術在地形測繪中的應用

近年來，三維激光掃描技術發展不斷成熟，在建筑物三維建模、水庫橋梁變形監測、地籍測繪等領域都得到了普遍應用[8]，尤其在地形測繪中，應用三維激光掃描技術，在測定掃描儀測站點定位和后視標靶坐標定向后，獲得全景范圍內可見面域空間點連續的三維坐標和影像，通過實時設站重新掃描，確保整個測區無遺漏。

獲取點云數據后，對數據進行檢驗并分類處理，經過坐標轉換、激光點濾波后，建立測區的DEM 數據，如圖2 所示。與傳統測繪方法相比，利用三維激光掃描技術獲取DEM 數據，操作簡單，快速便捷，節省人力物力。

圖2 DEM數據

3 實際案例分析

3.1 三維激光掃描儀作業

3.1.1 數據獲取

實驗使用RIEGL VZ-1000 地面三維激光掃描儀，對道路及兩側地物進行掃描。掃描距離為600m，每秒最高可以發射30 萬個激光脈沖，提供高達1.8 秒的角度分辨率。測區道路全長近1.7 公里，由于道路較長，無法一站完成作業，因此實驗共設置了9 個測站點。為了便于后期進行數據拼接，相鄰測站之間有部分數據重疊。三維激光掃描儀獲取的道路點云數據如圖3所示。

圖3 三維激光掃描儀獲取的道路點云數據

3.1.2 點云數據處理

利用三維激光掃描儀對采集的點云數據進行點云拼接，即將不同坐標系下的三維空間數據轉換到同一個坐標系[9]，將需要拼接的兩站數據拖入視窗，點選手動拼接，將基準站放置在A 窗口、拼接站的站點放置在B 窗口，分別在兩個窗口數據的共同區域選取四對位置一樣的點，具體如圖4 所示。

圖4 手動拼接

由于三維激光掃描儀采用的是內置坐標系統，要將不同測站測量的數據拼接在同一個坐標系，拼接前后的圖像如圖5 和圖6 所示。

圖5 拼接前圖像

圖6 拼接后圖像

3.2 全站儀數據采集

實驗使用徠卡高精度全站儀采集數據，該儀器在平均大氣條件下測角精度為2"，測距精度高；與三維激光掃描儀測點精度相比，單點測量精度較高，且性能較為穩定。

（1）全站儀的布點與測量

在測區找到兩個已知控制點K02 與K03，兩點相距80 米左右，如圖7 所示。在K02 架設全站儀，進行方向定向（即在全站儀中輸入當前與后視點坐標），測量道路邊界與兩側相關地物。

圖7 同名點

（2）同名點布設

實驗同時使用全站儀與三維激光掃描儀采集外業數據。為了對比兩種方法的測量精度，需統一坐標，并以路燈為參照物，在測區布設9 個同名點S1～S9，具體如圖7 所示。

3.3 解算七參數

為了將兩個不同的坐標系轉換到相同坐標系下，首先求出坐標轉換所需的七參數，而解算坐標轉換的七參數，至少需要三對同名點。這三對同名點要求精度高，分布均勻，并有較大的覆蓋面。因此，本次選取S1、S5、S9 三對同名點，七參數結算完成后得到同名點轉換前后坐標值，最終求得七參數，結果如表1所示。

表1 七參數結果

3.4 坐標轉換后的點位誤差分析

布爾莎模型是一種用于描述地理空間不確定性及其傳播機制的概率模型，在測繪領域被廣泛用于估計和傳播測量誤差。實驗采用布爾莎模型對特征點進行坐標轉換，轉換后的坐標與全站儀所測坐標有所不同，具有一定的誤差。為了比較轉換前后坐標差值的大小，整體評價轉換后的點云精度，根據轉換后的坐標較差Δx、Δy、Δz，計算三維激光掃描儀不同測站點之間的點位誤差，并比較其精度與距離的關系。點位誤差公式為：

在測區選取幾個不同的點，選點要清晰明確，可在三維激光掃描儀和全站儀兩種坐標系下找到對應的坐標值，同時點與點之間的距離盡量保持一致，使各點與三維激光掃描儀盡量在一條直線，如圖8 所示。根據公式（2）計算出各點的點位精度值。

圖8 與掃描測站不同距離的點

根據布爾莎模型，將D1 至D6 三維激光掃描儀下的坐標轉換到全站儀下的坐標，根據公式（2）求出轉換后的點位誤差，結果如表2 所示，各點的點位誤差與距離的趨勢如圖9 所示。

表2 坐標轉換后的點位誤差

圖9 點位誤差與距離趨勢

通過實驗數據與圖表分析，可以發現三維激光掃描儀測量點坐標誤差與其距離有關，隨著距離的增大，誤差呈增長趨勢。

4 精度分析

實驗分別利用全站儀和三維激光掃描技術對參照物進行數據采集。在使用全站儀對測區進行數據采集時，選取該地物邊側三個不同的點位進行觀測，讀取三個坐標數據，并求出中心點坐標，再根據七參數進行坐標轉換，結果如表3 所示。

表3 中心點坐標

根據表3，點號SW 是在三維坐標下獲取的路燈中心點，表3 第二行數據是三維激光掃描儀坐標系下的坐標值，第三行是經過坐標轉換后相對應的坐標值。求出路燈邊側三個點與中心點的坐標值，如表4 所示，J128 至J130 是三個邊側點，ZD 是其中心點坐標，分別求出SW 與其余四個點的點位誤差值。

表4 中心點與邊點的點位誤差

通過數據分析可知，全站儀所測的邊測點的點位誤差大于其中心點位誤差，因此可以得出，在同一測量精度下，全站儀的誤差相對較大，而使用三維激光掃描儀獲取的數據相對精確。

5 結論

本文通過實際案例和兩種測繪方式的精度分析，發現三維激光掃描測量和全站儀測量在不同應用場景下各有優勢。在近距離大型場景三維測量中，三維激光掃描技術采樣速率快、點位精度高，在遠距離測量時，坐標轉換后的精度變低。在實際應用中應根據具體場景和需求選擇合適的測量技術，提高測量精度和效率。