三维激光扫描技术在城市地下空间测量中的应用

储立新,陶 钧

(常州市武进规划与测绘院，江苏 常州 213159)

自改革开放以来，我国经济高速增长，城市化得到了跨越式的发展。但快速的城市化给城市的持续、稳定、健康发展带来了一系列矛盾，过度膨胀的人口，越来越紧张的土地，日益恶化的自然环境，因此寻求多种空间格局综合发展之路，因此地下空间的开发与利用迫在眉睫。国家政策层面上对地下空间普查工作也日益重视，出台了新的城市地下空间设施分类与代码，对城市地下空间的管理与利用也即将步入新阶段。城市地下空间数据采集是城市地下空间管理的基础与前提，完整准确的城市地下空间测绘成果是地下空间管理科学性的重要保障。

1 传统测量方法

1.1 传统测量的优势

通过实践，传统测量方法完全可以应用于地下空间测量，GNSS可以提供地面控制，全站仪的免棱镜模式可以有效帮助地下空间测绘，其优势主要表现为：

(1) 传统方法的精度可以得到有效保障。

(2) 传统方法从测量到验收有统一的技术规范，成果移交检核没有歧义[1]。

(3) 全站仪具有价格优势，普及程度非常高。

(4) 传统方法软件较为成熟，内业处理流程便捷，无需复杂培训即可上手。

1.2 存在的问题

城市地下空间存在结构相对简单、通视条件差、光照不足等特点，传统测量方法在城市地下空间测量中主要存在下列问题：

(1) 城市地下空间尤其是使用率不高的地下空间光照条件差，需通过打人工照明等辅助测量，容易出现漏测、错测的情况。

(2) 城市地下空间控制网布设困难，需要从地表引入控制点并布设控制网，因导线边长短不一，精度控制相对困难。

(3) 传统方法测量需要导线、水准、测图多次进场测量，工作效率较低。

(4) 内部管线复杂，测量存在较大难度。

(5) 传统方法测量成果一般为二维数据，三维数据表达较为困难。

2 三维激光扫描方法

三维激光扫描技术又称为实景复制技术，是近年来出现的新技术。由于其具有快速性、不接触性、穿透性、实时、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化等特性，其应用推广很快。本文以武进区某地下空间测量项目为例，主要讨论利用三维激光扫描技术进行城市地下空间测量的方法。

2.1 三维激光扫描技术工作原理

三维激光扫描仪按照测量方式分可为基于脉冲式、基于相位差和基于三角测距原理。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速复建出被测目标的三维模型，以及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也称为从单点测量到面测量的革命性技术突破[2]。

2.2 三维激光扫描技术施测流程

三维激光扫描技术的优势在于可以快速、高精度、非接触测量[3]地获取地下空间相关数据，其施测流程如下：

(1) 在地下空间出入口附近进行控制测量，地面控制点的三维坐标总数不少于3组。

(2) 利用扫描仪按照行进路线架站进行扫描，保证相邻测站间有一定比例的重叠度。

(3) 数据输出，利用软件进行点云拼接。

(4) 利用成图软件在点云整体模型上提取相关信息。

(5) 处理数据，编制成果。

与传统测量方法相比，三维激光扫描技术对光照条件没有要求，测站拼接可以用靶球(纸)拼接、无目标拼接等方法，有效避免了传统测量方法中遇到的问题。

2.3 精度分析

三维激光扫描技术的工作原理是激光测距，难免存在测量误差，主要体现在激光束发散、距离、扫描角、扫描速度等[4-6]的影响。在实际应用中笔者发现随着测量距离的增加和扫描入射角的减小，点云间隔会越来越大，点间隔是影响最终点云模型精度的关键因素。为了保证测量成果的精度，测站之间不宜超过60 m。地下空间由于相对狭小，测站之间距离设置不大，故非常适合采用三维激光扫描仪进行扫描，具体数据见下文精度验证。

2.4 效率对比

本项目分别采用天宝TX8三维激光扫描仪和拓普康GPT-3000LN全站仪进行外业数据采集和内业处理成图，两种方式效率对比见表1。

表1 两种测量方案效率对比

2.5 成果分析

2.5.1 精度验证

选取该地下空间的17个特征点分别用传统测量方案与三维激光扫描方案进行坐标对比，经分析统计，两种方案X坐标相互较差标准差为20.6 mm，Y坐标相互较差标准差为9.8 mm，Z(h)坐标相互较差标准差为12.2 mm，可见精度相当。对比数据见表2。

表2 三维激光扫描技术与传统测量方案坐标对比表

续表2

2.5.2 成果图示

经过三维激光扫描仪的外业扫描[7-8]和内业处理，可以得到该地下空间的点云模型(如图1所示)。

图1 地下空间点云模型

根据点云数据，通过裁切，可以获取地下空间的横切投影图(如图2所示)。

图2 地下空间的横切投影

在没有设计图纸时仍然可以清晰直观地在CAD上绘制该地下空间平面图，生产出满足要求的DLG成果(如图3所示)。

图3 导出至CAD效果

在扫描的同时将地下空间的顶部管线信息也采集完毕，为后期建模提供真实可靠的建模数据(如图4所示)。

图4 管线数据采集

3 结 语

三维激光扫描技术是目前世界上获取三维空间数据先进的技术之一[9-10]，而且随着各仪器厂商后处理软件的功能日益完善，可以大大提高测绘外业的工作效率，尤其是在地下空间测量中具有较好的应用前景。三维激光扫描技术在城市地下空间测量中的优势主要在以下几个方面：

(1) 测量精度可靠。通过验证，利用三维激光扫描仪测量与传统高精度全站仪测量方法精度相当，能够满足地下空间测绘项目的精度要求，特别是在不规则、通视条件差的地下空间中更有优势。

(2) 作业人员工作强度较低。虽然整个过程时间比传统方法长，但是外业时间缩短且拼接的大部分时间是计算机自动处理的，因此相对而言降低了作业人员的工作强度。

(3) 完整获取地下空间点云数据。无需反复进场，局部地物细节表达清晰。三维激光扫描技术可以获取有效测量范围内全部的点云信息，通过对点云信息的提取，可以获取各类目标数据。

三维激光扫描技术除了在地下空间测量中优势比较明显外，在复杂的构筑物(如图5高架桥桥墩)和电力线(如图6电力线寻找最低悬点)测量上也极具优势。

图5 高架桥桥墩扫描效果

图6 电力线扫描效果

参考文献：

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[2] 臧伟,钱林,孙宝军,等.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].北京测绘, 2015(3):130-135.

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[5] 王红霞.三维激光扫描技术在桥梁监测中的应用[D].兰州：兰州理工大学，2012.

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[11] 宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备,2008,10(2):40-43.