張 亞，山 鋒，王 濤

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西 渭南 714099；2.陜西交通職業(yè)技術學院，陜西 西安 710054）

三維激光掃描技術是近年來測繪領域出現(xiàn)的新技術，克服了傳統(tǒng)測量技術單點測量的局限性。該技術根據(jù)激光測距的基本原理，采用非接觸、主動測量的方式快速獲取被測物體表面高精度的空間點位信息、表面紋理信息的點云數(shù)據(jù)和圖像信息[1-2]，已被廣泛應用于建筑物三維建模、文物保護、地質災害監(jiān)測和土木工程等領域。隨著三維激光掃描儀硬件和軟件的發(fā)展與完善，不同模式下建筑物點云數(shù)據(jù)的采集與配準已被越來越多的研究者關注。在建筑物表面點云數(shù)據(jù)的采集過程中，受掃描儀視場的限制，不能一次性掃描完成整棟建筑物表面的點云數(shù)據(jù)，需在不同視場進行掃描，以獲取建筑物表面所有點云數(shù)據(jù)。根據(jù)作業(yè)方式的不同，三維激光掃描儀分為3種模式：①基于標靶的點云數(shù)據(jù)采集模式；②基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集模式；③基于測站后視或后方交會的點云數(shù)據(jù)采集模式[3-5]。前兩種模式獲取的點云數(shù)據(jù)處于掃描儀測站坐標系中，第三種模式基于全站儀極坐標法的原理，因此獲取的點云數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一空間坐標系中。

點云數(shù)據(jù)配準，即將不同視點下掃描得到的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系內的過程。通過點云配準得到整個建筑物表面點云數(shù)據(jù)，進而進行建筑物三維模型重建[6-7]。由此可見，配準后點云數(shù)據(jù)的精度將直接決定后續(xù)建模的精度，因此采用何種點云數(shù)據(jù)采集與配準模式將會對后續(xù)建模產(chǎn)生很大的影響。鑒于此，本文從三維激光掃描技術的3種數(shù)據(jù)采集模式出發(fā)，對3種模式下的點云數(shù)據(jù)采集與配準處理進行了研究，并對處理后的點云數(shù)據(jù)配準精度、點位和距離精度進行了對比分析。

1 研究方案

1.1 測區(qū)概況

本文選取的建筑物是位于某校園內的一棟15層的教學樓，長為70 m，寬為26 m，高為52 m；教學樓東北角有一棟兩層的裙樓，長為24 m，寬為21 m，高為10 m。教學樓整體形狀規(guī)則，棱角分明，易于選取特征點和特征邊，周邊遮擋較少，有利于布設控制點、架設儀器和標靶。

1.2 儀器選擇

本文采用拓普康GLS2000三維激光掃描儀進行點云數(shù)據(jù)采集，最大掃描距離為500 m，具備水平360°和垂直270°的全范圍掃描能力，具有自動量取儀器高、掃描棱鏡技術和測站后視法掃描功能，包括長距、近景、高清等5種不同測程的掃描模式，內業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件采用Scan Master軟件。前期控制測量數(shù)據(jù)采用索佳NET05x全站儀進行平面數(shù)據(jù)采集，天寶DINI03電子水準儀進行高程數(shù)據(jù)采集，科傻數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。另外，還配備了棱鏡、標靶、鋼尺、記錄板等相關測量附屬設備。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括控制測量數(shù)據(jù)采集和點云數(shù)據(jù)采集兩個階段。

2.1 控制測量數(shù)據(jù)采集

本文要進行點位精度對比分析，就需將建筑物點云數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一的空間坐標系中，那么建筑物周邊則需布設更多的控制點。根據(jù)三維激光掃描儀的特性以及建筑物周邊情況，本文共布設了8個控制點，控制點分布如圖1所示，其中3個控制點架設三維激光掃描儀，5個控制點架設標靶，利用全站儀進行平面數(shù)據(jù)采集，水準儀進行高程數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過嚴密平差，得到8個控制點的三維坐標信息，如表1所示。

表1 控制點坐標信息

圖1 控制點分布圖

2.2 點云數(shù)據(jù)采集

在每種模式下設置3個測站進行建筑物外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集，每個測站每次架設三維激光掃描儀分別采用3種模式進行數(shù)據(jù)采集，這樣將減少儀器架設產(chǎn)生的偶然誤差對后續(xù)數(shù)據(jù)處理的影響。

2.2.1 基于標靶的點云數(shù)據(jù)采集

基于標靶的點云數(shù)據(jù)采集模式需對兩個相鄰測站的同一組3個標靶進行掃描，再通過這3個共同的標靶對兩個相鄰測站進行配準處理[8]。首先將三維激光掃描儀架設在K1控制點上，分別對測站所控制的區(qū)域以及標靶B1、B2、B3進行掃描，考慮到標靶擬合精度和掃描速度，設置掃描分辨率為1 cm×1 cm，掃描模式為高清模式（后續(xù)兩種模式的掃描參數(shù)與該模式相同）；再將儀器搬到K2控制點上，分別對測站所控制的區(qū)域以及所有標靶進行掃描（本測站是第一和第三站的連接站，需將測區(qū)范圍內的5個標靶全部掃描）；最后將儀器搬到K3控制點上，分別對測站所控制區(qū)域以及標靶B3、B4、B5進行掃描，以完成建筑物和標靶的掃描。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，該模式需對標靶進行精細單獨掃描，并對每個標靶進行編號，這些工作需要耗費一定的時間，因此完成3個測站掃描用時為67 min。

2.2.2 基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集

基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集模式的基本原理是根據(jù)相鄰兩個測站掃描重疊范圍內的同名點進行配準。掃描過程中，分別在K1、K2、K3控制點上架設儀器，每次設站與相鄰測站的掃描重疊度在30%以上，以便于后續(xù)配準時同名點的選取，設置好掃描參數(shù)后進行每個測站的掃描，每個測站分別對標靶B1、B3、B5進行掃描，以便于后續(xù)把所有點云數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一的空間坐標系中。該模式下點云數(shù)據(jù)的采集雖然需要相鄰測站掃描點云數(shù)據(jù)的重疊度在30%以上，但無需掃描太多的標靶，與基于標靶的模式相比效率高一些，3個測站掃描用時為54 min。

2.2.3 基于測站后視的點云數(shù)據(jù)采集

基于測站后視的點云數(shù)據(jù)采集模式的基本原理是全站儀極坐標法測量坐標。首先將掃描儀架設在K1控制點上，棱鏡架設在K2控制點上，將測站點坐標和后視坐標分別輸入掃描儀中，設置掃描參數(shù)，掃描后視棱鏡，以完成掃描儀測站定向；然后掃描該測站的點云數(shù)據(jù)，掃描完成后將掃描儀搬到K2控制點，棱鏡架設在K1控制點上，根據(jù)同樣的原理進行該站的點云數(shù)據(jù)采集；依次掃描3個測站的點云數(shù)據(jù)。該模式下點云數(shù)據(jù)的采集需要掃描后視棱鏡進行測站定向，獲取的點云數(shù)據(jù)所在的坐標系與控制點所在的空間坐標系是一致的，外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度介于標靶模式和形狀匹配模式之間，3個測站掃描用時為60 min。

3 點云數(shù)據(jù)配準處理

3.1 基于標靶的點云數(shù)據(jù)配準

點云數(shù)據(jù)的坐標處于以掃描儀光電中心為原點的右手坐標系中，其中Y軸為掃描儀初始化后照準的方向，Z軸為掃描儀的豎軸，X軸為與Y、Z軸相互垂直的方向[9]?；跇税械狞c云數(shù)據(jù)采集模式獲取的點云坐標均處于掃描儀架設時的測站坐標系中，即當時測站的獨立坐標系，若進行不同測站的配準，就要根據(jù)相鄰兩個測站的同名點求解兩個測站相互獨立坐標系下的坐標轉換關系，即平移矩陣和旋轉矩陣；再把平移矩陣和旋轉矩陣代入到轉換數(shù)學模型中，即可得到兩個測站統(tǒng)一坐標系下的坐標[10]。

式中，tx、ty、tz為平移參數(shù)；α、β、γ為X、Y、Z軸的旋轉角；(X1,Y1,Z1)和(X,Y,Z)為旋轉前后同一個點的坐標。

由上述公式可見，至少需要3個同名點來求解轉換參數(shù)?；跇税械狞c云數(shù)據(jù)采集模式就是利用相鄰兩個測站3個共同標靶來求解轉換參數(shù)，再將轉換參數(shù)代入模型即可實現(xiàn)點云的配準。配準后3個測站的點云數(shù)據(jù)均統(tǒng)一到測站1所在的坐標系中，然后根據(jù)標靶B1、B3、B5進行坐標轉換，將建筑點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉換到所建立的統(tǒng)一空間坐標系中。

基于標靶的點云數(shù)據(jù)配準，相鄰兩個測站的共同標靶擬合的精度高，且在掃描過程中已編號，軟件將自動識別同樣編號的標靶并進行配準，配準精度和效率較高，3個測站的配準用時為7 min。

3.2 基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準

基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集模式采集的點云數(shù)據(jù)也是處于每個測站的獨立坐標系中，其配準處理過程與基于標靶的類似。配準時選取的不再是標靶，而是點云同名點。點云同名點從相鄰測站點云數(shù)據(jù)的重疊部分選取，一般是建筑物的拐角、窗戶等棱角分明的地方。選取同名點后，根據(jù)式（1）、式（2）計算轉換參數(shù)，完成點云配準；再根據(jù)標靶B1、B3、B5的坐標將配準后的點云數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一的空間坐標系中。

基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準，需從建筑物表面點云數(shù)據(jù)中選取3個及以上的同名點，選取同名點需要精確到房角或窗角處的點云，但相鄰測站選取的同一位置的同名點也并非嚴格意義上的同名點，這些情況必然會影響點云配準的效率和精度，3個測站的配準用時為13 min。

3.3 基于測站后視的點云配準處理

基于測站后視的點云數(shù)據(jù)采集時進行了后視定向，通過后視定向，每個測站掃描得到的點云坐標均為統(tǒng)一空間坐標系中的坐標。這種方式配準的實質就是對每個測站的點云數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的過程，即全站儀極坐標法測量點坐標的過程。具體每個點云坐標的計算公式為：

式中，(X1,Y1)和(X2,Y2)分別為統(tǒng)一空間坐標系下K1和K2的坐標。

式中，αi為點云中第i個點在統(tǒng)一空間坐標系下的坐標方位角；βi為第i個點和控制點K1連線與K1和K2連線的夾角，i=1,2,3,…,n，n為K1控制點的點云數(shù)量。

式中，X1、Y1、Z1為控制點K1的三維坐標；Si為控制點K1到第i個點的斜距；θi為第i個點的豎直角。

根據(jù)式（5）即可得到第i個點空間坐標系下的坐標，再利用軟件對3個測站的點云數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，即可完成配準?；跍y站后視的點云數(shù)據(jù)配準所得到的建筑物點云數(shù)據(jù)模型如圖2所示。在該模式下，掃描儀采用后視棱鏡的測站定向，測站定向后各測站掃描得到的點云數(shù)據(jù)已統(tǒng)一到空間坐標系中，因此配準處理只需把每個測站的點云數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一即可，效率快且精度高，3個測站的配準用時為4 min。

圖2 基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準建筑物點云模型

4 配準精度分析

本文利用三維激光掃描儀、Scan Master軟件實現(xiàn)3種模式下的點云數(shù)據(jù)采集與配準，結果表明，基于標靶的點云數(shù)據(jù)配準精度為0.002 m；基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準精度為0.003 m，基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準精度為0.009 m。

本文將3種模式下的點云數(shù)據(jù)都配準到統(tǒng)一的空間坐標系下，并對配準后的點云數(shù)據(jù)進行了精度分析。①點位精度分析，選取了6個建筑物棱角、窗角處的點，位置分布均勻，其中1、2號點位于建筑物頂部，將這6個點的坐標與通過精密測量得到坐標進行對比，結果如圖3～5所示；②邊長精度分析，選取了建筑物的特征邊進行對比分析，特征邊位置分布均勻，1、2號邊位于建筑物頂部，將選取的特征邊邊長與經(jīng)過精密測量的邊長進行對比，結果如圖6所示。

對比3種模式發(fā)現(xiàn)，基于標靶的點云數(shù)據(jù)配準精度與基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準精度接近且較高，基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準精度較低。數(shù)據(jù)采集過程中采用標靶、棱鏡進行配準，標靶、棱鏡的坐標經(jīng)過嚴密平差，精度較高，從而使得基于標靶的點云數(shù)據(jù)配準與基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準精度較高；而基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準過程中選取的同名點為建筑物表面棱角、窗角處的點云，且相鄰兩個測站掃描過程中，由于掃描儀分辨率的原因，使得兩個測站同一棱角處的點云存在偏差，從而導致基于形狀匹配 的點云配準模式精度較低。

圖3 特征點X方向差值

圖4 特征點Y方向差值

圖5 特征點Z方向差值

圖6 特征邊精度比較

5 結 語

本文以建筑物為研究對象，系統(tǒng)闡述了不同模式下建筑物表面點云數(shù)據(jù)采集與配準的處理過程；并將3種模式下的點云數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一的空間坐標系中，通過配準精度、特征點、特征邊的對比進行精度分析。結果表明，基于標靶和基于測站后視的模式的精度高于基于形狀匹配的模式；而在數(shù)據(jù)采集、配準效率和整體精度方面，基于測站后視的模式比另外兩種模式更具優(yōu)勢，更適用于建筑物點云數(shù)據(jù)的采集與配準處理。