劉元志，周園

（湖南省第二測繪院）

1 激光掃描數據獲取方法

1.1 控制測量

地面激光掃描儀內置GNSS/IMU，在地下空間幾乎無GPS信號的情況下利用慣導信息得到相對精度非常高的點云數據，但它獲取的原始激光點云三維坐標是系統(tǒng)自定義的坐標系統(tǒng)，因此至少需要四個控制點將點云整體糾正到所需的坐標系中。

基于HNCORS系統(tǒng)，利用網絡RTK獲取地下人防工程出入口4個控制點，為進一步保證精度，向地下人防工程布設2 個支導線點作為控制點，采取往返觀測方式，控制點精度優(yōu)于5cm。

1.2 地面激光掃描

地面激光掃描儀是在固定位置上通過水平方向360°、豎直方向一定角度旋轉掃描，再通過激光器測量的距離和旋轉角度，直接計算獲取地表物體的三維坐標，形成激光點云數據。本文使用的掃描設備Riegl VZ-2000i，可以實現360°×100°的掃描，發(fā)射頻率達1.2Hz，有效測量速率可以達到50 萬點/s，測量距離達2.5km，測量精度為5mm，從而可快速、精準的獲取高密度的點云數據。

在地下空間GPS 信號弱的情況下，為了保證點云數據成果精度，本研究縮短了設站距離，保證各站掃描數據的重疊區(qū)域，從而保障了后續(xù)各站數據精準拼接所需要的共面信息量，進一步保證了地下人防工程點云數據的相對精度。

1.3 掃描數據拼接

掃描數據拼接結果決定了點云整體的相對精度。首先利用集成GNSS/IMU獲取的慣導信息進行自動粗拼接，即以設定已知站數據為基準，未知站數據逐站拼接，通過各站的旋轉、平移形成相對位置穩(wěn)健的整體，然后進行精密拼接，通過提取橫向、縱向、垂直方向等平面特征，進行掃描站之間的精細擬合，平面特征數據集生成的平面標準偏差體現了精密拼接的精度。

基于相對精度非常高的精密拼接點云數據，本研究利用室外4 個控制點和室內2 個控制點將點云整體糾正到所需坐標系中，最終得到滿足測圖精度要求的地下人防工程激光點云數據。

2 實驗分析

2.1 實驗區(qū)地面激光點云數據獲取方案

實驗區(qū)為某單位的大型地下人防工程，面積約4423㎡。人防工程為標準設計，內部房角、柱子都為直角，整體近似長方體。首先為保證精度，現場踏勘，選擇最優(yōu)的設站點，同時在人防工程內外布設若干控制點，利用地面激光掃描儀Riegl VZ-2000i獲取激光掃描數據，通過數據處理得到滿足精度要求的地下人防工程點云數據。具體流程如圖1所示。

圖1 數據獲取方案

2.2 控制點分布

本研究直接利用網絡RTK和布設支點和碎步點的方式測量若干控制點，控制點一般選取室內外的房角和柱子轉角，由于地面激光掃描儀Riegl VZ-2000i獲取點云的相對精度非常高，坐標轉換時本研究使用了6 個控制點獲得滿足精度要求的點云整體。同時，為了后續(xù)的精度分析，測量了部分碎步控制點作為檢查點，用于精度驗證。

2.3 地面激光掃描數據獲取

實驗區(qū)共獲取了17站掃描數據，掃描站基本都位于地下人防工程的各拐角，平均站距為20m，平均每站獲取的點云數量近1550萬，保證了該地下人防工程的點密度、點間距和后續(xù)點云成果精度。各掃描站點分布狀況如圖2所示。

圖2 設站分布圖

2.4 地面激光點云處理

獲取地面激光掃描數據后，使用自帶的點云處理軟件進行點云數據檢查、粗拼接、精密拼接、坐標轉換、濾噪、影像RGB賦色等，具體數據處理流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程圖

2.4.1 數據拼接

基于各站掃描數據，核實點云數據是否齊全、是否存在遮擋，再進行點云數據拼接。本實驗點云數據精拼接的標準差為2mm，如圖4所示，縱坐標表示提取的平面特征數量，橫坐標表示平面標準偏差。

圖4 精密拼接精度直方圖

2.4.2 坐標轉換

導入經過坐標轉換的CSCG2000坐標系控制點數據，設置轉換矩陣坐標系同控制點坐標系一致，通過關聯控制點坐標和工程坐標系中相應點位坐標，達到點云整體坐標轉換的目的。本實驗使用6個控制點進行關聯完成了坐標轉換，標準差為1.5cm。

2.4.3 精細化處理

地面激光掃描儀獲取的點云數據由于多路徑效應，避免不了會存在噪點，因此需剔除噪點和人防工程周邊多余的點云。此外，利用集成的數碼相機獲取的照片對點云進行著色處理，RGB 點云數據更能展示真實的三維實景，方便位置和距離量測。精細化處理之后的人防工程點云整體如圖5所示。

圖5 點云賦色整體效果圖

2.4.4 精度分析

本次研究精度驗證使用的檢查點是用全站儀獲取的碎步測量點，選取的點位為柱子的拐角、房角等，檢查點精度滿足測圖要求。在點云數據中，采集檢查點相應位置的坐標，通過統(tǒng)計對比分析，精度評定情況如表1所示。

表1 點云精度情況表（單位：m）

根據精度評定情況表可知，地下人防工程地面激光點云數據平面中誤差為4.2cm，高程中誤差為1cm，精度完全滿足地下測圖要求。由此可見，本研究基于少量控制點的地面激光掃描技術用于地下空間測圖是可行的。

3 結語

本文利用Riegl VZ-2000i 地面激光掃描儀快速獲取地下人防工程的點云數據，在地下空間信號非常弱的情況下，利用獲取的慣導信息自動拼接形成相對精度較高的點云整體，通過坐標轉換得到所需坐標系的高精度點云數據，經精度分析滿足地下空間測圖要求，室內外測圖一體化大面積生產將成為可能。同時，高精度的室內外地面激光數據可提高影像三維模型的精度，助力三維測圖的進一步推廣和應用。