三维激光扫描在地下空间测绘中的应用

纪思源，谈嵘，蒲桦军

(常州市测绘院，江苏 常州 213000)

1 引 言

随着城市建设的快速发展，城市土地利用资源越来越少，地下空间的开发利用已成为人类生活空间的新拓展，地下空间开发利用和管理越显重要[1]。地下空间测绘主要包括：地下构(建)筑物的测绘定位、属性调查、地下构(建)筑物的数字化与数据入库等工作[2]。

2 研究现状

地下空间测量主要采用以下3种测量技术[3]：

(1)全野外实测法：控制测量、联系测量和碎步测量等；

(2)地下空间竣工图纸标绘法，是成本最低的方法；

(3)三维激光扫描法，通过激光扫描方法获取地下建(构)筑物的激光点云数据。

目前地下空间测绘最常用的方法是通过第一种与第二种技术的混合作业方法，通过平面控制测量，获取地下空间特征点，利用地下空间竣工图纸核对细节。考虑到地下空间作业环境较暗、特征点较多情形，该方法无法实现所有要素数据采集；当地下空间发生变动时，无法及时体现在竣工图纸上面，易出现漏绘、错绘现象；地下空间竣工图纸标绘法直接使用图纸进行描绘，最终成果不是具有绝对坐标的产品，无法和周围地形相匹配和重复利用；三维激光扫描法被称为“实景复制技术”，能够高速获取被测对象表面的三维坐标，可以快速大量地采集空间点位信息[4～6]，弥补以上两种方法的不足，且在地下空间测绘中，已有部分学者对此展开研究。

李永强[7]等采用移动测量系统，使用线阵激光扫描仪、高精度IMU和里程计，结合标靶进行纠正实现地下空间快速测量，受激光点的扫描方式、密度因素影响，采用移动式扫描系统精度低于地面静态扫描特征点精度[8]。马志[9]等研究了地下空间多测站点云拼接和标定技术；齐建伟[10]等认为使用三维激光扫描仪对标靶重复扫描时，内符合精度优于 1 mm；考虑到地下空间测量中无GPS信号，陈勇[8]等分别采用后视定向和首末标靶点进行坐标转换，将各测站激光点云转换到统一坐标系，在特征点处的精度，后视定向方法优于首末标靶点测量方法，在作业时后视定向方法需要布设导线，外业测量时需将仪器和标靶架设在已知点，降低了作业效率，增加了限制条件。

综合考虑精度需求和作业效率等因素，本文采用地面激光扫描测量系统，仅在地下空间出入口布设控制点，测站之间采用2个公共标靶拼接的作业方法，验证此作业方法在地下空间测量中的实用性和有效性。

3 地下空间测量方法实验

3.1 数据获取

三维激光扫描仪配备双轴自动补偿装置，在外业测量时，整平后，可默认竖轴指向不变，针对扫描区域较小，站间距较短，可认为测站间竖轴指向一致和尺度缩放因子不变，仪器整平后，在测站间可使用一种基于2个公共点的简单拼接模型，改变目前标靶拼接至少需要3个公共特征点的问题，提高外业作业效率。

考虑到地下空间设施有多个出入口，在出入口可利用网络RTK布设控制点，在地下空间设施内部，测站间通过标靶传递拼接，统一基准，最后拼接到具有所需坐标系统的测站。图1所示为地下空间内部点云数据和拼接后具有统一坐标系统的完整点云：

图1 扫描点云

内业处理采用Cyclone(9.1.6版本)软件进行测站拼接、滤波和去噪处理；使用cloudworx插件将Cyclone软件中的点云导入AutoCAD 2016进行切片处理、使用常州市测绘院自主研发的Map2012智慧空间数据采集系统进行数字化加工，制作具有地理信息要素的测绘产品。

各测站拼接精度如图2所示：

图2 基于2个公共标靶拼接精度

本次作业共测量5站，其中js3和3-1为布设的控制点，t1、t2、t3、t4、t5、为测站间传递的标靶，测站内部拼接精度优于 6 mm，转换至绝对坐标系的拼接精度为 1.7 cm。

点云拼接完成后，需对点云数据深加工，绘制具有地理信息要素的测绘产品，具体操作如下：

(1)将点云通过cloudworx导入AutoCAD中，沿xoy平面截取具有一定厚度的点云，建议截取 2 mm以内厚度点云，降低冗余数据干扰，如图3所示：

图3 切片后点云

(2)利用Map2012平台对点云进行数字化深加工，绘制具有属性信息的地下空间测绘产品，Map2012平台地下空间模块共分为5部分：地下空间总范围面、地下空间分层范围面、地下空间内部线面、地下空间点符号、地下空间注记，如图4所示：

图4 map2012地下空间内业处理软件

图(4)中(f)即为绘制的具有属性信息的地理信息产品。

3.2 精度分析

根据《城市测量规范》可知，地下空间建(构)筑物测绘精度要求如表1所示：

地下空间建(构)筑物测绘精度要求[11] 表1

试验精度对比分析采用全站仪和三维激光扫描仪采集相同特征点进行比对分析，如表2所示，高程比对选取20个特征点，高程最小偏差 3 mm，最大偏差 19 mm，满足地下空间精度要求。

三维激光扫描与全站仪测量高程精度分析表 表2

经计算，高程中误差为：δH=0.011 m，满足表1规范要求。

平面精度比对时选用相同位置的特征点，将三维激光扫描仪采集的点云数据中提取的特征点与相同位置处全野外实测采集的数据进行比对，平面精度比对结果如表3所示：

点位精度比对分析表 表3

续表3

注：以上数据经过加密处理

经计算，点位误差：δX=0.029 m，δY=0.034m，δ=0.045 m，满足表1规范要求。

4 工作效率情况

试验选择的地下空间面积约15 000 m2，分别采用全野外实测法和三维激光扫描法进行作业效率比对，比对结果如表4所示：

作业效率比对(单位/天) 表4

通过全野外实测方法作业时共需要3.75天，三维激光扫描法需要2.25天，作业效率比全野外实测法节省了1.5天，提高了外业生产效率，节约了生产成本。

5 结 语

三维激光扫描仪通过标靶把各测站拼接在统一坐标系，通过在首末控制点进行坐标转换的方法能够满足地下空间设施测量的精度要求，在没有进行平面控制测量的前提下，验证了该作业方法的有效性。