張亞 山鋒

摘 要：本文在介紹三維激光掃描技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式的基礎(chǔ)上，以某特征建筑物為例，分別采用三種方式從內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)采集、處理速度方面進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：基于特征點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理速度快，基于標(biāo)靶、測(cè)站點(diǎn)控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式精度較高。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)云數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)采集;配準(zhǔn);對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）28-0037-02

Abstract： On the basis of introducing the registration method of point cloud data in 3D laser scanning technology， this paper took a characteristic building as an example， compared the data acquisition and processing speed in three ways， and analyzed the accuracy of point cloud data after registration. The results showed that the data acquisition and processing speed based on feature point cloud was fast， and the registration method based on target and control point of measurement station had high precision.

Keywords： point cloud data;data collection;registration;comparative analysis

近年來，三維激光掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑物三維重建中。但是，因其在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中受到掃描儀的視場(chǎng)限制，不能在一個(gè)測(cè)站對(duì)所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，只能多個(gè)測(cè)站進(jìn)行掃描，然后把每個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)[1]。本文從三維激光掃描技術(shù)的三種點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集方式出發(fā)，通過試驗(yàn)分析，探討不同點(diǎn)云點(diǎn)數(shù)據(jù)采集方式下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集速度、配準(zhǔn)精度，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供參考。

1 研究方案

1.1 研究場(chǎng)地選取

本次研究場(chǎng)地是某校園內(nèi)的一棟建筑，該建筑形狀規(guī)則，易于選取特征點(diǎn)和特征邊，且建筑物周圍比較空曠，利于架設(shè)掃描儀和布設(shè)控制網(wǎng)。

1.2 儀器設(shè)備的選取

本次研究采用HDS ScanStation 2三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，HDS ScanStation 2三維激光掃描儀掃描視場(chǎng)為360°×270°，具有測(cè)站定向功能，數(shù)據(jù)采集和配準(zhǔn)軟件為Cyclone，標(biāo)靶為球形標(biāo)靶。另外，還配有索佳250X全站儀及棱鏡、鋼尺等工具。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集根據(jù)研究目的分三次進(jìn)行掃描，每次掃描為三個(gè)測(cè)站，每站既掃描裙樓部分又掃描主樓部分，掃描分辨率設(shè)置為1cm，并且三次掃描的范圍一致。

2.1 基于特征點(diǎn)的掃描

基于特征點(diǎn)的掃描是把掃描儀架設(shè)在建筑物周圍通過獲取的影像來確定每個(gè)測(cè)站掃描的范圍，設(shè)置分辨率進(jìn)行掃描，并在下一測(cè)站掃描過程中對(duì)前一測(cè)站的掃描區(qū)域進(jìn)行1/3的重疊。這種方式外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度較快，掃描儀安置要求不高，但根據(jù)建筑物上的特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)要求每站掃描過程都要有一定的點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊且配準(zhǔn)精度稍差。

2.2 基于標(biāo)靶的掃描

基于標(biāo)靶的掃描是根據(jù)兩個(gè)測(cè)站間共同的標(biāo)靶來進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，需要在相鄰兩站的掃描過程中對(duì)同一組標(biāo)靶進(jìn)行掃描。在掃描過程中，首先要確定每個(gè)測(cè)站的掃描范圍，然后在相鄰兩個(gè)測(cè)站間設(shè)置三個(gè)球形標(biāo)靶，并保證兩個(gè)測(cè)站都能掃描到設(shè)置的球形標(biāo)靶，然后對(duì)三個(gè)球形標(biāo)靶進(jìn)行掃描，球形標(biāo)靶掃描的分辨率為2mm，以提高標(biāo)靶擬合精度。掃描完標(biāo)靶之后再對(duì)建筑進(jìn)行掃描，下一個(gè)測(cè)站也是先掃描前一測(cè)站的三個(gè)標(biāo)靶，然后再對(duì)建筑物進(jìn)行掃描。這種方式的外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度稍慢，但精度較高。

2.3 基于測(cè)站控制點(diǎn)的掃描

基于測(cè)站控制點(diǎn)的掃描是依據(jù)控制點(diǎn)作為約束條件進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的，該方式分兩步進(jìn)行。第一步，用全站儀對(duì)布設(shè)控制點(diǎn)進(jìn)行水平角度、垂直角度和邊長(zhǎng)測(cè)量，然后進(jìn)行近似平差得到控制點(diǎn)三維坐標(biāo);第二步，在控制點(diǎn)上架設(shè)掃描儀，對(duì)中、整平，然后在后視點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶，量取掃描儀和標(biāo)靶高度，在操作軟件上輸入測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)和后視點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用掃描儀的定向功能完成測(cè)站定向，設(shè)定掃描范圍并獲取數(shù)據(jù)。這種方式外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度最慢。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

3.1 基于特征點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

三維激光掃描儀通過這種方式進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)全部處于每個(gè)測(cè)站坐標(biāo)系中，基于特征點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)則是根據(jù)不同測(cè)站間重疊部分的同名點(diǎn)來進(jìn)行，通過同名點(diǎn)來求解不同測(cè)站坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成不同測(cè)站間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。首先，把兩個(gè)相鄰測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入配準(zhǔn)窗口，在兩個(gè)配準(zhǔn)窗口選擇3～4個(gè)同名點(diǎn)，然后通過軟件進(jìn)行配準(zhǔn)計(jì)算，得到配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并顯示配準(zhǔn)精度。這種配準(zhǔn)方式配準(zhǔn)速度慢，所選取的同名點(diǎn)也并非是真正意義上的同名點(diǎn)，會(huì)影響配準(zhǔn)精度。

3.2 基于標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

基于標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取每個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也處于每個(gè)測(cè)站坐標(biāo)系中。如果要進(jìn)行配準(zhǔn)，就需要選取相鄰兩個(gè)測(cè)站區(qū)域中共同的三個(gè)標(biāo)靶，通過標(biāo)靶中心點(diǎn)作為同名點(diǎn)來求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。首先，運(yùn)用軟件對(duì)兩個(gè)相鄰測(cè)站的三個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行擬合，通過擬合獲得標(biāo)靶中心，并在兩個(gè)測(cè)站對(duì)同一個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行相同的編號(hào)，然后通過軟件進(jìn)行不同測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這種配準(zhǔn)方式內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)速度較慢，但所選取的同名點(diǎn)相對(duì)于手動(dòng)選取的同名點(diǎn)來說自動(dòng)化程度高。

3.3 基于測(cè)站控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于該方式已經(jīng)在建筑物周圍布設(shè)了控制網(wǎng)，因此，在掃描前已經(jīng)對(duì)掃描儀進(jìn)行測(cè)站定向，每個(gè)測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在掃描過程中已經(jīng)統(tǒng)一到所布設(shè)的控制網(wǎng)坐標(biāo)系中，所以，其點(diǎn)云配準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)就是在Cyclone軟件中把各個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的過程。這種方式內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)速度最快，精度相對(duì)較高。三種方式內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)采集、處理速度對(duì)比結(jié)果見表1。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度分析

通過Cyclone軟件多次對(duì)三種方式獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)試驗(yàn)。三個(gè)測(cè)站軟件配準(zhǔn)后的精度顯示，基于特征點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度分別為11mm和10mm;基于標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度分別為3mm和4mm;基于測(cè)站控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度分別為3mm和3mm。

本次試驗(yàn)還選取了建筑物的特征邊來進(jìn)行對(duì)比分析，特征邊的選擇主要是建筑物的窗戶、墻邊等，共選取了四條特征邊，其中兩條位于第一測(cè)站和第二測(cè)站間，另外兩條位于第二測(cè)站和第三測(cè)站間。首先，用鋼尺、全站儀多次測(cè)量獲得特征邊的長(zhǎng)度，然后通過軟件量取三種方式下這些特征邊的長(zhǎng)度，并與鋼尺、全站儀測(cè)量的長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表2。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以得到，基于特征點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，外業(yè)時(shí)間最短，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)且精度差;基于標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，外業(yè)時(shí)間稍慢，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)，但精度高;基于測(cè)站控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，外業(yè)最慢，但是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理速度最快，精度高。

5 結(jié)論

本次試驗(yàn)選取特征建筑物為試驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)用三種數(shù)據(jù)采集、配準(zhǔn)方式，從外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度等方面進(jìn)行對(duì)比分析。通過分析數(shù)據(jù)得出三種方式在內(nèi)外業(yè)上各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為今后的工作提供可參考、可選擇的數(shù)據(jù)采集、配準(zhǔn)方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈東峰，程效軍，劉燕萍，等.地面三維激光掃描儀定向法[J].工程勘察，2014（10）：60-65.