三维激光扫描仪平缓地形分区扫描方法研究

刘会云，李永强，刘文龙，牛路标，毛 杰，闫阳阳，杨莎莎

（1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454000；2.北京工业职业技术学院，北京100048）

激光扫描技术是近年来测绘领域迅速发展的一项前沿技术，具有数据获取速度快、精度高、非接触以及能快速获取密集面阵点云等优势，展示出广阔的发展前景。按搭载平台的不同，激光扫描主要分为机载激光扫描、车载激光扫描和地面三维激光扫描，其中地面三维激光扫描由于其相对方便灵活的特点，在文物保护、考古、精细三维建模、灾害测量等领域得到广泛应用［1-4］。地形测量是三维激光扫描应用的一个重要方面，通过快速获取地表密集面阵点云，并采用相应数据处理方法，构建精细三维表面模型，为各种应用提供基础数据支持。在工程施工中，利用精细三维表面模型为精确地形测量和土方量算提供技术支持，可快速掌握工程进展情况［5-8］。通过对同一区域不同时期精细三维表面模型的对比分析，可以在不需要控制点支持的情况下，从面覆盖的角度实现地表变化探测与检测，对于控制点布设困难以及控制点容易遭到破坏的监测和研究工作（例如危险滑坡体监测、沙漠变化监测、开采沉陷监测等［9-15］），具有重要意义。三维激光扫描仪在地形测量方面的应用日益普及，其中的一个重要方面就是平缓地形测量（如开采沉陷监测、工地施工测量、公路竣工测量等），受架设仪器高度的限制，在扫描平缓地形时，有效扫描半径往往只有几十米，在扫描边缘区域时，扫描点密度非常稀疏，若要增加边缘点密度，则需要大幅度增加扫描时间，作业效率受到限制。本文在深入分析三维激光扫描仪作业原理的基础上，提出分区扫描方法，基于数据点密度均衡的原则，对不同扫描区域设置不同的扫描参数，合理分配数据点，减少冗余数据，缩短数据采集时间，提高对平缓地形测量的作业效率。

1 三维激光扫描仪工作原理

地面三维激光扫描仪主要有两种工作模式：脉冲模式和相位模式，用于地形测量的三维激光扫描仪多为脉冲模式。激光扫描仪在内置伺服系统驱使下，在水平方向和垂直方向分别以等角度发射并接受脉冲信号，根据各脉冲飞行时间测量各扫描点到激光扫描仪中心的距离，根据各扫描射线与激光扫描仪自定义坐标轴的夹角，计算各数据点在扫描仪自定义坐标系内的坐标。在仪器高度H一定的情况下（见图1），同一条竖直扫描线内，扫描仪以步进角度θ扫描数据，随着扫描角度α的增加，扫描半径逐渐增大，相邻扫描点的间隔也逐渐增大，当扫描角度接近90°时，扫描半径变得很大，相邻扫描点的间隔也非常大。假设仪器中心距地面1.8m，则不同扫描角度α所对应的扫描半径如表1所示。同样，在水平方向内，激光扫描仪以等角度绕竖直轴旋转，每步进一个角度，激光扫描仪获取一条竖直扫描线数据，随着扫描半径的增加，相邻竖直扫描线间数据的间隔也逐渐增加。

图1 垂直方向扫描角度与扫描半径关系示意图

表1 扫描角度与扫描半径对照表

图2 数据点分布示意图

图2为激光扫描仪数据点分布示意图，从图中可以看出，激光扫描点在仪器中心附近，点的密度非常大，随着距离的增加，扫描点密度逐渐减小，在边缘区域变得非常稀疏。三维激光扫描仪对平缓地形测量的数据点分布非常不均衡，半径10m的小区域集中了整个测站80%的数据点，存在大量冗余数据，而其它所有边缘区域数据量仅为20%，外围数据点密度严重不足，这是单一参数设置方法存在的主要问题。

2 分区测量方法

使用地形三维激光扫描仪获取平缓地形数据时，一个重要的原则是尽可能获得密度均衡的数据点。使用三维激光扫描仪获取地表精细三维表面模型时，数据点密度是三维表面精度的重要保障，以开采沉陷监测为例，一般情况下，要获得1～2cm的地表精度，数据点的间隔需要达到0.2～0.3m［13，16］，只有数据点密度达到一定程度时，才能成为有效扫描。在对平缓地形进行数据采集时，仪器架设高度有限的情况下，其数据分布非常不均匀：在仪器中心附近，数据点的密度非常大，数据点的间隔甚至达到mm级，远远超过应用需求，造成数据的严重浪费；在边缘区域，数据点非常稀疏，这造成每测站的有效扫描半径有限。激光扫描仪以一定的频率发射激光脉冲，发射激光脉冲数量与扫描时间基本成正比关系，若使边缘区域数据密度增加，则需要增加扫描点密度，势必造成扫描时间大幅度增加，作业效率显著降低。在每测站中，有效扫描半径和扫描时间的矛盾，在一定程度上限制了三维激光扫描仪对平缓地形的测量应用。

三维激光扫描仪进行地形扫描时，在水平角度通常采用360°角度扫描，而在竖直角度设置时，不同扫描角度区间所覆盖的环带面积不同，其推导过程如下：设仪器高度为H，扫描角度区间为［α，α＋θ］，则环带的内环半径为H＊tanα，外环半径为H＊tan（α＋θ），则环带面积为 πH2［tan2（α＋θ）-tan2α］，如图3所示，可以看出，随着扫描角度α的增加，环带的面积逐渐增加，当扫描角度α接近90°时，即使θ值很小，环带面积仍然很大，若要保证环带内扫描点的密度，则必须使水平和竖直方向的步进角度减小，增大环带内数据点采集时间，增加数据点数量；当扫描角度α较小时，即使θ值较大，环带面积仍然较小，若要提高数据采集效率，则需要增大水平和竖直方向的步进角度，缩短环带内数据点采集时间，减少数据点数量。

图3 扫描角度区间与环带面积关系示意图

基于上述分析，提出分区扫描方法：如图4所示，根据到扫描仪中心距离的不同，将扫描范围分为若干环状区域，每个环状区域分别对应不同的竖直扫描夹角，各区域基于扫描点密度均衡的原则，设置不同的扫描参数。在相同参数设置情况下，各环带内靠近激光扫描仪中心的部分，其数据点仍然比远离扫描中心区域数据点密度大，因此每个环带所跨范围不宜过大，一般情况下，最外围环带宽度以20～30m为宜，内围以10～20m为宜。最外围环带所占的面积最大，而所包含的扫描角度非常小（88°～89°之间），在竖直方向需要设置很小的扫描步进角，同时在水平方向的步进角也需要适当减小，这样才能使整个区域数据点密度增大且相对均衡。最内围环带所覆盖面积最小，所包含的扫描角度较大（45°～70°之间），在竖直方向需要设置较大的扫描步进角，在水平方向的步进角度也需要适度减小。在中间区域，可以设置2～4个环带，相对于外围的环带，在竖直方向和水平方向步进角都要适当增大。

图4 分区扫描原理

3 试验分析

为验证文中所述方法的有效性，作者进行了试验对比分析，选择地形平缓的开阔空地为试验区（见图5（a）），使用Leica Scanstation2激光扫描仪采集数据，仪器设置高度为1.8m，该款仪器扫描角度为360°×270°，采用360°方式扫描后，会在仪器下面留下半径为1.8m的空洞区域。分别采用分区扫描方法和整体扫描方法获取试验区地形数据，参数设置和用时如表2所示。分区扫描方法共分为4个分区，用时26.5min，每次扫描参数设置时间为1min，共计30.5min。整体扫描用时86.5min，参数设置时间为1min，共计87.5min。从作业时间来看，分区扫描所花费时间为整体扫描花费时间的35%，作业效率明显提高。

对各分区数据进行分析，结果如表3所示。可以看出，各分区环带面积与所包含数据点个数呈正比，数据点分布均匀，数据点密度在100～300个／m2，边缘点间隔均大于0.2m。以0.2m数据点密度为有效扫描范围计算，其有效扫描半径超过67m。对整体数据进行分析，按分区扫描半径统计对应分区，结果如表4所示，可以看出，各分区面积所占比例与点数比例呈反比，数据点的分布极不均匀，以0.2m数据点密度为有效扫描范围计算，其有效扫描半径尚不足43m。竖直扫描角度分别为88°～89°、85°～88°、70°～85°、45°～70°的分区扫描方法为较为理想的方法，与整体扫描方式相比，前者在作业效率、有效扫描半径等方面均有明显优势，数据点密度分布得到很大改善，利用效率明显提高。

图5 分区扫描结果对比

表2 试验参数设置

表3 分区扫描结果分析

表4 整体扫描结果分析

4 结束语

本文从地面三维激光扫描仪基本工作原理出发，针对平缓地形扫描时点密度不均匀、冗余数据多、有效扫描半径小等问题，提出分区扫描的方法，不同子分区设置不同的扫描参数，合理分配数据点密度，提高作业效率。分区扫描方法是对单一参数扫描方式的改进，扫描效率明显提高，扫描半径明显增大，将进一步促进三维激光扫描仪在地形测量中的应用和研究。提高三维激光扫描仪对平缓地形测量的效率，主要从两个方面进行改进：①从仪器性能入手，选择性能更优的仪器，缩短单站扫描所需时间；②从作业方法入手，除文中所提出的分区扫描方法外，还可以增加扫描仪架设高度，以增加有效扫描半径。尽管当前三维激光扫描技术发展迅速，仪器设备更新很快，每2～3年即完成一代技术更新，但作为价格昂贵的仪器设备，每款设备都需要有一定的使用年限，在追求仪器性能进步的同时，也需要重视对操作方法的改进。作者下一步研究重点将是研发专门辅助设备工具，在适合野外作业的情况下，有效增加三维激光扫描仪作业高度，增加有效扫描半径，提高作业效率。

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