吳 棟，凌勝仁，劉云龍

(蘇州工業(yè)園區(qū)測(cè)繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215027)

1 引言

三維激光掃描技術(shù)是近幾年來(lái)國(guó)際上興起的一種新型測(cè)量技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革新。通過(guò)三維激光掃描儀能快速獲取被攝物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取三維坐標(biāo)，具有快捷、實(shí)時(shí)、高精度、低成本、無(wú)接觸、易操作等特點(diǎn)［1］，在三維重建等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)三維激光掃描儀的測(cè)量精度進(jìn)行了研究，鄭德華等指出了測(cè)距誤差和掃描角誤差是三維激光掃描誤差的主要誤差源之一［2］;Derek D.Lichti 利用室內(nèi)標(biāo)定場(chǎng)和自標(biāo)定方式對(duì)三維激光掃描儀進(jìn)行了誤差分析［3］;劉春等提高了三維激光掃描儀的測(cè)距精度和測(cè)水平角精度［4］;謝宏全等通過(guò)建立室外檢校場(chǎng)來(lái)檢驗(yàn)徠卡C10 的測(cè)距精度與水平角精度［1］，［5］。

本文通過(guò)室外標(biāo)定場(chǎng)，依據(jù)實(shí)際工程環(huán)境，設(shè)計(jì)合理有效的入射角和距離對(duì)精度影響的檢定試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，采用Z+F IMAGER 5006h 三維激光掃描儀獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將三維激光掃描儀的掃描結(jié)果與經(jīng)加常數(shù)和乘常數(shù)改正的全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，研究不同入射角與距離對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量精度的綜合影響。試驗(yàn)結(jié)合隧道三維激光測(cè)繪案例，為城市地下工程三維掃描方案和掃描作業(yè)提供了技術(shù)參考。

2 標(biāo)定場(chǎng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)獲取

2.1 試驗(yàn)器材

本文采用的三維激光掃描儀為德國(guó)Z+F 的IMAGER 5006 h，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示［6］。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文在室外標(biāo)定場(chǎng)對(duì)儀器精度進(jìn)行評(píng)定。圖1為所采用的室外標(biāo)定場(chǎng)。

表1 Z+F IMAGER 5006h 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 室外標(biāo)定場(chǎng)

采用全站儀無(wú)棱鏡多次精測(cè)方式測(cè)出所有靶標(biāo)的中心坐標(biāo)，全站儀事先經(jīng)過(guò)檢校測(cè)得其加常數(shù)與乘常數(shù)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，確保結(jié)果可作為檢定三維激光掃描精度的標(biāo)準(zhǔn)。為有效分析掃描儀的水平角精度和距離對(duì)精度的影響，本文在垂直于1 號(hào)標(biāo)靶且距離為5 m，10 m，20 m，30 m 和40 m 處分別設(shè)站進(jìn)行點(diǎn)云掃描，并在室外標(biāo)定場(chǎng)設(shè)置4 個(gè)靶球，用于不同設(shè)站之間點(diǎn)云的配準(zhǔn)。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)上節(jié)所示的試驗(yàn)方案以指定的流程完成試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中做好過(guò)程控制。主要試驗(yàn)步驟如下:①按照設(shè)計(jì)方案布設(shè)試驗(yàn)場(chǎng)地;②用全站儀配合棱鏡建立局部坐標(biāo)系，在局部坐標(biāo)系中多次精測(cè)每一靶標(biāo)的中心坐標(biāo)，用三維激光掃描儀依次在各個(gè)掃描站完成掃描作業(yè);③將全站儀靶標(biāo)數(shù)據(jù)和掃描儀掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出;④獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，采用與三維激光掃描儀配套的點(diǎn)云處理軟件Z+F Laser Control 進(jìn)行不同設(shè)站點(diǎn)云的配準(zhǔn)以及靶標(biāo)中心坐標(biāo)的提取。在處理時(shí)可將點(diǎn)云影像放大，并采用自動(dòng)識(shí)別靶標(biāo)中心的方式得出靶標(biāo)中心坐標(biāo)，確保坐標(biāo)提取的精確性與高效性。

3 數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)場(chǎng)上按照前節(jié)所述的實(shí)驗(yàn)方案布設(shè)平面靶標(biāo)和靶球，使用全站儀(Topcon 7502C)實(shí)測(cè)平面標(biāo)靶，得到靶標(biāo)中心的坐標(biāo)。將各掃描站得到的三維點(diǎn)云通過(guò)4 個(gè)靶球轉(zhuǎn)換到全站儀所在的坐標(biāo)系下。分別在各站掃描點(diǎn)云中使用隨機(jī)自帶軟件Z+F Laser-Control 提取各個(gè)靶標(biāo)的中心坐標(biāo)，如表2 所示。

表2 各掃描站點(diǎn)云提取的靶標(biāo)中心坐標(biāo)誤差

綜合分析表1 可知，各個(gè)掃描站在在P1—P5 靶標(biāo)都表現(xiàn)較類似的精度，在P6 之后的靶標(biāo)表現(xiàn)較大的誤差，即在P5 點(diǎn)之后發(fā)生了跳變，精度銳減。分析原因，針對(duì)試驗(yàn)三維掃描儀的掃描情況，隨著距離的拉長(zhǎng)，精度變化明顯，達(dá)到一定距離后，點(diǎn)位精度差別明顯。

為更加直觀的分析掃描儀入射角、距離和靶標(biāo)中心的測(cè)量精度的關(guān)系，將數(shù)據(jù)以折線圖的形式表示出來(lái)，如圖2 所示。

圖2 各掃描站點(diǎn)云提取的各靶標(biāo)中心點(diǎn)位誤差

圖3 入射角度對(duì)精度的影響

由圖3、圖4 可知，掃描儀測(cè)量誤差隨入射角和距離的增大，開始表現(xiàn)平穩(wěn)，但到達(dá)一個(gè)閾值之后誤差急劇增加。各個(gè)掃描站的掃描誤差增大的起始角度數(shù)值不同，隨著掃描距離的的增大，該起始角度數(shù)值越來(lái)越小。在垂直入射角時(shí)，掃描儀測(cè)量誤差隨距離的增大而增大。

圖4 距離對(duì)精度的影響

4 在地下工程測(cè)繪中的指導(dǎo)作用

，根據(jù)入射角與距離對(duì)點(diǎn)云精度的綜合影響的分析可知，在大型工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)距離零入射角距離20 m(P5 點(diǎn))之后測(cè)量誤差急劇增大。因此，本文提出在正常的濕度環(huán)境下若使用Z+F IMAGER 5006h 的superhigh 模式進(jìn)行多站掃描兩測(cè)站的距離不宜大于40 m，如圖5 所示。

圖5 適宜濕度條件下地下工程三維激光多站掃描方案

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，試驗(yàn)證明在站距小于35 m的情況下隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接最大誤差為12.6 mm時(shí)能達(dá)到較好的拼接效果。當(dāng)站距大于35 m 情況下拼接誤差較大，為56.7 mm。導(dǎo)致點(diǎn)云拼接誤差特別大的原因是地下隧道霧氣重、入射角度大而導(dǎo)致有效點(diǎn)云數(shù)減少，拼接數(shù)不足，精度變化大，無(wú)法達(dá)到自帶軟件的拼接精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立室外標(biāo)定場(chǎng)，以Z +F 公司生產(chǎn)的IMAGER 5006h 為試驗(yàn)對(duì)象，研究入射角與距離對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量精度的綜合影響，并結(jié)合隧道三維激光測(cè)繪案例分析，為城市地下工程測(cè)繪時(shí)掃描方案和三維掃描作業(yè)提供技術(shù)參考。試驗(yàn)表明，掃描儀測(cè)量誤差隨距離和角度的增大，開始表現(xiàn)平穩(wěn)，但是到一定閾值后，掃描儀點(diǎn)位測(cè)量誤差急劇增加。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)提出，在設(shè)計(jì)IMAGER 5006 h 三維激光掃描儀多站掃描方案時(shí)，(在適宜的濕度環(huán)境下)站距不宜大于40 m。但地下工程實(shí)例表明:當(dāng)濕度增大和水汽嚴(yán)重的情況下，由于水汽對(duì)激光的散射作用，應(yīng)該在根據(jù)工程需求又保證精度的條件下，適當(dāng)減小站距。因此，為保證測(cè)量精度，提高作業(yè)效率，在施工作業(yè)時(shí)，應(yīng)視外界環(huán)境變化適當(dāng)調(diào)整站間距。

由于濕度環(huán)境難以模擬，本文未對(duì)濕度和三維激光掃描儀的測(cè)量誤差進(jìn)行研究，后續(xù)將對(duì)濕度和測(cè)量精度的關(guān)系作進(jìn)一步的研究。

［1］謝宏全，高祥偉，徐孝偉.地面三維激光掃描儀水平角精度檢校試驗(yàn)研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014，(8):52－54.

［2］鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測(cè)量誤差影響因素分析［J］.測(cè)繪工程，2005，14(2):32－34.

［3］Lichti D D.Error modelling，calibration and analysis of an AM-CW terrestrial laser scanner system［J］.Isprs Journal of Photogrammetry ＆ Remote Sensing，2007，61(5):307－324.

［4］劉春，張?zhí)N靈，吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評(píng)估［J］.工程勘察，2009，(11):56－60.

［5］謝宏全，高祥偉，邵洋.地面三維激光掃描儀測(cè)距精度檢校試驗(yàn)研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2013，(12):25－27.

［6］Z+F，Gmbh.Z +F IMAGER 5006h User Munual［Z］.Germany:Z+F Gmbh，2013.

［7］張洪棟，劉翔，時(shí)振偉，等.影響地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素分析［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2014，(2):183－186.

［8］張永彬，高祥偉，謝宏全，等.地面三維激光掃描儀距離測(cè)量精度試驗(yàn)研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014，(12):16－19.