三维激光扫描技术在地下汽车位测量中的应用

叶 斌，李俊峰

（1.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042）

地面三维激光扫描技术是利用激光测量单元进行从左到右，从上到下的全自动高精度步进测量，进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点的三维坐标[1-3]。本文介绍了三维激光扫描仪的工作原理及其在地下汽车位测量中的应用技术流程，并将该技术应用于宁波市杭州湾世纪城近万个地下汽车位测量。

1 地面三维激光扫描仪的工作原理

地面三维激光扫描仪通过激光测距仪及扫描仪内部水平角、垂直角度盘分别记录激光测量斜距和激光光束的水平角、垂直角，从而解算目标相对于仪器中心的三维坐标：

式中，L为斜距；θ为垂直角；φ为水平角。

三维激光扫描测量的坐标原点S在仪器中心；Y轴在仪器固定方向上，为激光扫描方向；Z轴竖直向上，X轴由右手直角坐标系确定。通过式（1）可将扫描仪获得的距离及角度数据转换为三维空间直角坐标数据，从而获得在同一空间参考系表达目标空间分布和目标表面光谱特性的点云。基于点云的可量测性及不同目标的反射差异，进行地下汽车位的识别和量测。

本文使用的是Rigel公司生产的VZ-400地面三维激光扫描仪，其在高速模式下的点位精度为5 mm@100 m；距离分辨率为2 mm@100 m；角度分辨率为1.8"；测程为350 m；扫描速度为300 000 p/s；视场角V为100°，H为360°；扫描方式为脉冲式。在采集地下汽车位点云数据过程中，将RIEGL VZ-400扫描仪固定在测量车的右后侧，如图1所示，单站采集18个汽车位数据，然后将测量车移动到下一站继续采集。

图1 装载RIGEL VZ-400激光扫描仪的测量车

2 基于三维激光扫描技术的地下汽车位测量

2.1 测区勘察及规划

杭州湾世纪城地下车库布局比较复杂，而三维激光扫描仪一次扫描的数据有限，为了获得所有汽车位的点云数据，必须分多次在不同的测站进行数据扫描。现场踏勘的目的就是了解待测地下车库的空间分布，为三维激光扫描仪的扫描作业规划作准备，以防止出现测量不完整、数据不准确或作业效率降低，确保测量工作顺利展开。扫描规划主要包括：

1）扫描站点设置。首先要通过试验明确三维激光扫描仪单站扫描所能覆盖的有效汽车位数。考虑到三维激光扫描系统存在点云空洞的问题，还应明确三维激光扫描系统与待扫描区域最邻近汽车位线的最短距离，然后对测量车停靠位置予以详细规定，并对车辆行进路线进行规划，原则上要保证扫描站数最少、车辆行驶的线路最短。

2）扫描分辨率设置。扫描分辨率的设置主要以三维激光扫描仪单站扫描获取的有效汽车位区域点云中的汽车位线能正常捕捉和量测、且使扫描时间最短为原则。

3）单站扫描范围设置。单站扫描范围的设置是通过设置水平及垂直方向的扫描范围角，避免获取非目标地物，从而减少扫描时间及冗余数据。

2.2 地下汽车位数据采集

测量车进入测区指定测站，开启扫描仪新建工程及测站，设置扫描仪分辨率、水平及垂直方向的角度范围。VZ-400扫描仪对测量车行进方向的右侧扇形区域进行推扫，单站测量的有效汽车位数为18个。待单站点云数据采集完毕后，新建扫描站并将车载系统移动至下一扫描站，直至完成整个地下汽车位扫描。单站扫描获得的地下汽车位点云数据如图2所示，每一站点数据获取完成，应详细绘制草图，标注站点位置，记录数据文件对应关系作为后续数据处理的重要依据。

图2 三维激光扫描仪获取的车位点云数据

同时，在测区范围内选取部分汽车位采用手持激光测距仪进行测量，以此对基于三维激光点云的房产测量数据精度进行评定。

2.3 激光点云处理

三维激光扫描仪在接收回波的过程中，会存在一定的噪声点，需要加以滤除，以提高点云数据质量。

对于大宗噪声点，一般采用手工选择并删除的方法；对于实物表面、肉眼难以分辨的噪声点，则通过激光点云数据处理软件来剔除。其基本原理是在主体点云模型表面设置一阈值，计算其余点与主体之间的距离差值，若差值大于给定阈值，则将该点归于噪声点并删除，否则作为主体点云予以保留。噪声点的删除是一个迭代的过程，即逐步减小阈值直至将主体点云表面的噪音点清理干净[4]。

2.4 地下汽车位线的绘制

地下汽车位线的绘制在基于MicroStation开发的TerraSolid软件中完成。将点云导入、分类并按强度设置点云的显示模式，通过设置合理的反射强度分布范围来增强点云中汽车位线与周围地物的反差，以方便后续汽车位线的绘制。反射强度设置如图3所示。

图3 点云数据的反射强度设置

经实验可知，当反射强度设置在200～800范围内时，点云数据中的汽车位线最易判读，显示效果如图4所示。

图4 调整反射强度后的点云数据

汽车位边线的绘制采用手工的方式进行，可采用如下2种方法：①从点云数据中量取汽车位边线尺寸，据此来调整预测分层分户图中的地下汽车位边线；②利用MicroStation的绘线工具直接在点云中人工构绘汽车位边线，并将每个区块的汽车位边线插入到预测分层分户图对应位置上。

2.5 成果检验

为了检测三维激光扫描新方法获取的地下汽车位成果的可靠性和精度，本文选取了一定数量的地下汽车位样本进行了测试。

2.5.1 稳定性测试

随机选择10个地下汽车位样本，对于任意一个样本汽车位，均选取2个不同的站点用三维激光扫描仪进行扫描，获得的点云数据经过上述方法处理后，人工从处理后的点云中采集地下汽车位尺寸。每站扫描获取的地下汽车位尺寸均量测2次，比较4次量测结果的差值，以此来验证三维激光扫描方法的稳定性，如表1所示。

从表1可以看出，所有样本数据2次测量的较差均小于3 mm，数据的稳定性符合地下汽车位作业要求。

表1 三维激光扫描技术数据采集稳定性测试记录表/ m

2.5.2 精确性测试

为测试三维激光扫描仪采集的数据精度，利用手持式激光测距仪按照传统手段在现场随机采集部分汽车位边线尺寸。采集过程中，每条汽车位边线均观测2次，2次观测值取中值后与从点云数据中获取的相应数据进行比较，其中，点云数据中采集的汽车位边线尺寸也取2次量测的中值。随机选取120条不同位置、不同采集时间的汽车位边线，以手持激光测距仪获取的数据为真值，以三维激光扫描仪获取的数据为观测值，得到的误差统计如图5所示。

图5 误差统计

经分析可知，有116条汽车位边线较差在0.001～0.009 m之间，另外4条汽车位边线较差大于1 cm。经实地复查，系采用传统方法采集数据时操作不当造成的粗差。因此，利用三维激光扫描仪采集的地下汽车位尺寸完全符合房产测量的精度要求。

2.5.3 效率比较

传统作业方式与三维激光扫描方式的效率比较见表2。

表2 作业效率比较

3 结 语

试验表明，三维激光扫描技术在地下汽车位测量中具有可行性、高效性及可靠性。

1）新方法可以提高作业精度。实地测量中由于人工操作的不稳定性引起精度损失，利用点云数据采集尺寸时，可以通过放大视图来增强尺寸采集的精度。

2）新方法可以提高作业效率。按照传统作业方法，世纪城地下汽车位测量在不考虑人员疲劳因素的情况下2名工作人员最快需要20 d才能完成，而采用三维激光扫描技术2人一星期能完成所有的外业采集工作，作业效率大幅度增加。

3）新方法提高成果质量。地下汽车位的产权面积涉及每个业主的切身利益，不能发生任何差错。传统方法在尺寸测量环节、尺寸记录环节和绘图环节均容易出现差错，利用新方法可以避免这些环节的错误，从而提高作业质量。

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